EMC设计中信号回流的重要性

只看该作者 · 2023-12-31 12:37

任何注入到系统中的电流最终都要回到源端。因此，信号不仅仅是在信号线上传播，同时也是在参考平面上传播，如下图所示。所以保持参考平面的完整和低阻抗，与保持信号线的完整和低阻抗对系统同样重要。

1.信号在信号线和参考平面上传送

在传统的低速设计中，系统中的回路电流沿着最小的电阻路径回流，而在高速系统中，电流沿着最小的阻抗回路回流。在高频下，回路的电感表现出的感抗远远大于其本身的电阻值，因此最小阻抗路径也就是最小电感的路径。通常情况下，最小电感的路径就在信号线的正下方，如下图：

2.高频回流电流沿最小电感路径回流

我们把提供给信号线回路电流的媒介称作参考平面。在实际系统中，参考平面可以用VCC，也可以用GND，重要的一点是要保证参考平面的连续性。一对差分信号之间可以互为参考，它们对参考平面的依赖没有那么强。

如果在PCB上，信号的参考平面出现较大的不连续区域，如一条沟壑，那么在这个沟壑处，信号的回路电流无法通过紧贴信号走线线面的路径传送，而是必须绕开这个沟壑。这样就给回流路径增加了感抗，使得接收端信号的高频分量衰减严重，甚至出现台阶。如下图：

3.回路不连续

在设计中尽量不要让信号的回路中存在沟壑，如果沟壑是不可避免的，可以在沟壑的两端放置一些去耦电容，构成一个跨越沟壑的交流通路，提供给高速的回路电流。

另一种常见的回路不连续的情况是信号在不同参考平面之间切换，同样会给电源系统引入噪声。下图所示为4层PCB结构，信号首先在第一层传输，然后通过一个过孔转到第四层继续传输，第二层和第三层为参考平面。当信号在第一层时，回路电流在信号路径对面的参考层第二层传播，当信号在第四层时，回路电流同样在信号路径对面的参考层第三层传输。那么当信号穿过信号过孔时，回路电流如何从第三层传到第二层呢？

4.信号切换参考平面

如果参考平面之间没有直流通路，回路电流只能通过两个平面之间的容性耦合传递。在下图中，我们可以清楚的看到回路电流是如何从第三层耦合到第二层的。

5.回路电流通过平面之间的容性耦合传递

由于平面之间的耦合程度有限，回路电流在跃迁过程中，将遇到较大的阻抗。因此回路电流在这里将在两个平面上产生一个感应噪声，传播到系统的其他地方。由于这个噪声非常类似于地弹噪声，因此又将其称为回路地弹。那么，如何减小回路地弹噪声呢？

如果这两个平面具有同样的电势，例如它们都是地平面，那么最直接有效的方法就是在信号过孔附近加上几个地过孔，直接连接两个平面，如下图所示，使回路电流就近通过这几个过孔，保持回路的连续性。

6.利用地过孔减小回路电感

如果这两个平面的电势不一样，例如一个是VCC，另一个是GND，那么要减弱这个回路地弹噪声对电源系统造成的影响，两个平面之间增加一些去耦电容，为回路电流提供一个低阻抗的瞬态交流回路。