電源和地平面在 PCB 設計中的重要性

地平面和電源平面是 PCB 設計中的大面積導電區域，具有多種用途。地平面為電氣信號提供公共參考點，并作為電流的返回路徑。電源平面將電源電壓輸送到板上的各個組件，以幫助在整個 PCB 上均勻分配電源，從而減少電壓降并確保穩定的供電。雖然電源平面提供了許多好處，但也帶來了對電流返回路徑的仔細規劃的需要，以防止信號退化，特別是在混合信號設計中。

電源和地平面的重要性

地平面通過為返回電流提供低阻抗路徑來幫助減少噪聲和 EMI，從而提高并保持信號完整性。與電源平面結合使用時，它們還能增強電源傳輸，并有助于防止在電源需求出現短時突發性峰值的應用中出現的掉電問題。額外的固體導電材料還有助于散發 PCB 上元件產生的熱量，從而在不增加額外成本的情況下實現更好的熱管理。對于設計人員來說，GND 和電源平面通過消除手動布線 GND 和電源跡線的需要，提供了簡化的布線和高密度設計。

相反，參考平面和電源平面也可能由于涉及的物理學原理而帶來一些挑戰。PCB 中任何兩個相鄰的層由于導電元件的鄰近性和它們之間的介電材料而自然形成電容器。這個過程包括信號跡線層和電源平面，如果不在 PCB 設計中考慮到這一點，就可能導致問題。

多層 PCB 返回電流路徑

在純數字設計中，信號上升時間在幾納秒量級時，回流電流路徑傾向于緊密跟隨傳輸信號的走線。最近的地平面中的感應電流呈窄高斯分布形狀展開。然而，在模擬設計中，回流電流路徑可能不直接跟隨走線。相反，回流電流可能跨越傳輸模擬信號的走線周圍相對較寬的區域。在這些情況下，展開區域往往越低模擬信號的開關頻率，區域就越大。

當走線直接布線在實心參考平面上時，回流電流通常有一條直接的低阻抗路徑到達該平面。但在其他情況下，回流電流路徑會貫穿整個層疊結構，直到到達合適的參考平面。如果不加以考慮和仔細規劃，這些回流電流路徑可能會變得非常長，最終類似于在沒有合適參考平面的信號層之間進行間接布線。這種感應電流會導致混合信號 PCB 設計中模擬和數字部分之間的串擾和信號退化。

減輕回流電流路徑問題

一種解決這個問題的方法是將所有產生回流電流的元件放置在更靠近 GND 平面的那一側，以優化回流路徑。或者，在電源和 GND 平面之間增加去耦電容器可以通過為回流電流提供到 GND 的低阻抗路徑來減輕 EMI 問題。

層堆疊優化可能適合設計人員以避免引入新的或依賴現有的去耦電容。例如，在一個四層 PCB 設計中，頂層可以用于信號和電源線，而底層可以只包含信號跡線。兩層內層可用于參考平面。然后，兩個外層信號層都有一條直接的低阻抗路徑到其中一個內層 GND 平面。更復雜的設計可能需要引入超過四層，以便信號跡線可以直接布置在合適的參考平面上。

該圖說明了在四層 PCB 設計中排列層的三種可能方式。

可以使用兩層底層作為 GND 和電源平面，頂層用于信號，并在信號平面正下方添加一個額外的 GND 平面，從而實現非常低的阻抗 PDN。這種方法可以受益于高電流消耗或快速切換元件的設計。

地平面設計在混合信號設計中

在混合信號 PCB 設計中，接地平面設計的最終目標是將混合信號區域盡可能隔離和分離，以防止干擾。如果無法實現這一點，設計人員應確保數字電路不會在 PCB 的模擬部分產生電流，因為模擬電路通常更容易受到噪聲的影響。

在現代設計中，通常不建議將 GND 平面物理分離成多個較小的部分，以防止平面之間未定義的返回電流路徑引起的問題。只有當需要物理隔離的 GND 信號出于監管或物理原因時，才應進行完全分離，例如在安全關鍵應用、隔離電源轉換器或高功率應用中。

各自區域正上方的返回電流路徑都很明確。然而，在隔離參考平面之間的間隙中的確切行為難以估計。

在混合信號 A/D 電路中，多個地平面可以為不同的信號類別提供不同的參考。然而，在這種情況下，設計人員通常希望使用網連接器將 GND 網在單一點連接起來。因此，主要目標不是物理隔離，而是防止數字噪聲影響 PCB 上更易受影響的模擬子電路。

設計分離地平面的注意事項

如果需要或希望物理分離 AGND 和 DGND 區域，設計人員必須將數字信號僅布線在合適的數字參考平面上。類似地，模擬跡線必須位于模擬 GND 平面上，以防止兩個區域之間的 EMI 問題和信號串擾。

如果需要網連接器，它應該放置在這樣位置，不允許任何一種信號的返回電流流向不同的參考平面。當同時處理低頻模擬和數字信號時，完全分離通常更容易管理。在具有高頻模擬子電路的混合設計中，網連接器可能更合適。

在隔離式電源轉換器的情況下，初級和次級 GND 網應該通過不同的方式連接——例如，使用一個非常高安全電容，允許輸出側的噪聲通過電容返回輸入側，同時保持隔離屏障。

縫合孔的作用及其對走線的影響

過孔縫合是一種技術，它利用過孔將不同層的 PCB 上的銅平面連接在一起。該方法有助于保持短、低阻抗的電流返回路徑，并創建低電磁噪聲的區域，這在射頻設計中是所期望的。

然而，考慮到過孔對附近走線和平面的潛在影響至關重要。過孔可能會引入阻抗不連續性、反射和串擾，尤其是在高頻時。此外，過孔會在實心參考平面上創建間隙，從而干擾附近走線的電流返回路徑。因此，需要仔細放置和布線以減輕這些影響，并確保 PCB 電源分配網絡的最佳性能。

底線

電源平面有助于減少噪聲和 EMI 并保持信號完整性。然而，由于電子物理學中的物理原理，它們帶來了額外的挑戰。設計人員必須仔細考慮和規劃返回電流路徑及其對附近組件和導電層的影響，尤其是在混合信號設計中。

有幾種方法可以幫助緩解這些問題。最常見的方法之一是層堆疊優化，即設計者在多層設計中改變層的排列，將信號層放置在參考平面上方。這樣做可以確保到地線的短、低阻抗返回電流路徑。精心放置的去耦電容器也可以產生類似的效果。

在混合信號設計中，克服信號退化的一個方法是盡可能地將模擬和數字組件以及低頻組件分得開。通常建議使用單獨的接地平面，如果需要物理隔離或出于安全法規的要求。相反，設計者應該采用其他方法，如單個網絡連接或安全電容器。過孔圍欄也可以幫助在混合信號 PCB 設計中創建低噪聲區域。