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如果在PCB上看到孤零零的去耦电容,看看是不是这种情况

11/24 14:34 作者:加油射频工程师
阅读需 6 分钟
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参考平面中的slot和split

参考平面中的分割有两种,一种英文称为slot, 一种英文称为split,两者有相同之处,也有不同之处。

相同之处是,两者都会造成EMI和信号完整性问题;

不同之处是,slot是部分分割,而split是完全分割,如下图所示。

设计人员在设计混合模拟/数字板时,为了减少数字区域对模拟区域的串扰,会对其参考平面进行分割。

在EMC文献中,通常建议以分割地平面的方法,来减少模拟电路和数字电路之间的串扰。

但是,在下图中,对地的进行分割,反而起到了相反的效果。因为在这个slot上面,有多个数字信号走线,来自驱动器的数字回流无法立即从走线下方流回,而只能绕着slot流动。有一小部分回流,会以位移电流的形式通过间隙电容。

所以,回流相对于信号走线形成一个大环路,这大大增加了电流环路电感,从而引起辐射发射和串扰,而这些问题,却是设计人员最初想避免的问题

 

情形1:电源层分割,接地层连续

在设计高速硬件电路时,比如FPGA电路等,通常会有多个电源域,分布在同一电源层中。如下左图所示。

更具体的,如下右图所示。PCB的叠层为四层板,L1和L2是信号平面,L2是电源平面,L3是地平面。

其中地平面DGND是连续的,但电源平面是分割的。

理想情况下,是希望所有的走线都能布在L4层,因为与该层相邻的是完整的地平面。

但是,总有一些走线,必须在L1层,而L1层下方是分割的电源平面。

这时的回流路径是什么样的呢?

这时,就需要依靠板子上的去耦电容,来为回流提供绕行路径。如下左图所示。

回流通过最近的去耦电容C2流到连续的DGND平面,然后该回流又通过另一个去耦电容C1返回到电源层。所以,这个时候,电容器的阻抗也对回流环路的总阻抗起着重要影响。

所以,当(DGND)接地平面连续时,它仍可提供畅通无阻的信号电流返回路径,虽然这个回流路径稍稍大了点。

情形2:电源层和接地层都分割,而且分割线在垂直方向上重合

假设走线在数字设备 IC1 和 IC2 之间布线,跨越相邻电源平面中的一个slot, 如下图所示,电源平面和地平面都被分割,而且分割线在垂直方向上重合。

下图中,看上去回流可以在从数字区域流过,如蓝色线所示,虽然这样也会增大回路,导致EMI性能变差,但是好歹不算太离谱。

但是如果IC1移到模拟区域,如红色线所示。这个时候,平面上的回流彻底被切断了,如下右图所示,那该怎么办呢?

回流一定会需要一条替代路径,绕过slot,回到源端。如果不采取措施的话,回流路径就乱七八糟了。

所以,如果两个参考平面以相同的方式分开 ,即使有去耦电容器,也无济于事,因为当回流经过相应的参考平面时,没法经过gap,因为电源平面和地平面都被分割了。

这时,一种解决方案,就是使用拼接电容器C1,放置在参考平面的间隙上,如下图所示。这时,即使电源平面和地平面都被分割,该方案也能有效工作。电容器应在相应信号频率下表现出低阻抗,以提供可接受的回流路径。

 

那这些拼接电容器,该怎么放置呢?

电容器的放置和安装对其整体性能起着重要作用。应使用拼接电容器并将其安装在间隙上,最好在信号走线的任一侧各安装一个。电容器应放置在靠近穿过间隙的走线处(最好在 0.1 英寸或 2.5 毫米以内),如下上图所示。

为了获得最佳性能,电容器还应沿所有平面slot的周边以规则的间隔放置,以便它们可用于互连间隙任一侧的小平面。在所关注的最高频率处,沿间隙的电容器之间的间距不应超过 lamd/10,其中lamd表示 PCB上通过的最高信号的波长。

这个时候,可能就会看到在PCB的空白处,有孤零零的几个电容在那。所以,如果你在别人的设计中,出现这些孤零零的电容时,可以看看,他们下面的参考平面上,是不是有slot或者split。

拼接电容器方案的有效性

尽管拼接电容器确实为返回电流提供了最佳路径,但它们的性能明显受到其高频阻抗的限制。

下图描绘了带有微带线的简单 PCB 的最大电场辐射发射示例图。发现,连续金属平面的发射幅度要比分割平面的发射幅度高20dB左右。

 

添加一个拼接电容器后,可以看到,在低于 100 MHz 的频率下观察到明显改善,但随着频率的进一步增加,辐射水平上升。当使用两个电容器时,辐射水平下降到和连续参考平面的辐射水平相当。

参考文献:grounds for grounding

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