PCB層之間的通訊信號

2021-08-20

PCB層之間的通訊信號

第 1 部分：ESD 示例

層轉換中的信號電流

摘要：印刷電路板、PCB、信號路徑必須經常改變板疊層中的層。在某些情況下，這可能會導致問題。ESD 示例用于說明更改層會導致問題的條件。

圖 1：通過過孔的信號路徑

討論：PCB 中的布線路徑通常需要更改層的路徑來完成布局。對于四層PCB，這通常意味著從電路板的頂層更改為底層，中間的兩個層是電源和地。四層板尤其成問題，因為與六層或更多層板相比，電源層和接地層之間的間隔通常相對較大，大約為 30 到 40 密耳。

圖 1 顯示了信號路徑從四層板的頂層變為底層的情況。而在頂層和底層，信號電流與其在附近接地或電源層中的鏡像返回電流相匹配。隨著信號電流從上到下改變層，可能會發生影響 ESD 性能的損害。

所有信號形成一個循環，從源到加載，再回到源。通常是路徑的“返回”部分讓我們陷入困境，正如我們將在這個特定案例中看到的那樣。信號在底面底部的返回電流跟隨信號到達底面頂部，但它必須通過面間阻抗（圖 1 中的 Z）才能到達頂面的底部，從那里它可以跟隨信號到頂平面的頂部。

圖 2：具有單層和兩層路徑的測試板

考慮阻抗 Z 的一種方法是將兩個平面視為從信號通孔展開的二維傳輸線。旁路電容形成低阻抗“短路”（盡管在足夠高的頻率下短路并不是那么好，因為它們的電感變得很重要）并且電路板的邊緣通常是未端接的“開路”。這些和其他特征會引起反射，導致平面間阻抗隨頻率顯著變化，并且對于平面間距約為 30 密耳的四層板，在某些頻率下可以達到幾歐姆。墨菲定律表明，該阻抗的一個峰值將位于時鐘頻率的三次諧波處！

為了評估這種效果，我構建了如圖 2 所示的測試板。每條信號走線長約 30 厘米。走線由一根 100 歐姆雙絞電話線導體組成。當貼在地平面上時，它形成了一個 50 歐姆的路徑。該板為雙覆銅板，整個組件模擬四層 PWB。兩個銅平面相距約 30 密耳，并通過左側的 SMA 連接器和右側的負載電阻器（四個位置）短接在一起。一條路徑停留在一側，而另一條路徑穿透電路板并在另一側運行約 10 厘米。

圖 3

具有單層和兩層路徑的測試板

電路板經受 3 kV ESD 接觸放電，從 ESD 模擬器到一條 1 米電纜的末端，該電纜固定在圖 2 所示的平面靠近右邊緣的中間，而左邊緣的中間連接到地從板上排出電荷。圖 3 顯示了圖 2 頂部路徑在 SMA 連接器處產生的明顯信號，該信號位于電路板的同一側。該信號只有大約 400 mV。

ESD 產生的 EMI 到一層路徑

圖 4 顯示了圖 2 下方路徑的 SMA 連接器處的視在信號，該信號從電路板的頂部到底部再向后改變層。在這種情況下，SMA 連接器處的峰值信號超過 2 伏峰值，并且在組件的固有頻率下振蕩。對于大多數邏輯電路來說，這個級別肯定是一個問題。較低路徑中增加的噪聲是由于 ESD 在從電路板一側到另一側的每次轉換時導致跨板阻抗 Z 上的電壓降。該電壓出現在信號/返回回路中，因此出現在 SMA 連接器上。

圖 4：SMA 連接器處的信號

ESD 產生的 EMI 到兩層路徑

對于板間距離遠小于 30 密耳的情況，板間阻抗通常也會更低，圖 4 中所示的效果將更小，問題也更少。如果關鍵信號從靠近現有（低成本）旁路電容器的電路板頂部過渡到底部，則對于四層電路板的影響也可以最小化。

總結： PWB 各層之間的轉換可能會給信號路徑帶來顯著的損害。電源和地平面之間的間距越大，影響越大。“四層”PWB 響應 ESD 的示例顯示了可能發生的問題之一。 

第 2 部分：排放示例

兩條路徑的相對排放量

圖 5：排放

摘要：印刷電路板、PCB、信號路徑必須經常改變板疊層中的層。在某些情況下，這可能會導致問題。排放示例用于說明更改圖層可能導致問題的條件。

討論：PCB 中的布線路徑通常需要更改層的路徑來完成布局。對于四層PCB，這通常意味著從電路板的頂層更改為底層，中間的兩個層是電源和地。四層板尤其成問題，因為與六層或更多層板相比，電源層和接地層之間的間隔通常相對較大，大約為 30 到 40 密耳。

圖 5 描述了圖 2 所示電路板的發射。電路板上的路徑長約 30 厘米。一個留在板的同一側，而另一個穿過到另一側約 10 厘米。兩個金屬平面相距約 30 密耳，并通過 SMA 連接器和 47 歐姆負載電阻短接在一起。這些路徑由一根由 24 號雙絞線電話線制成的絕緣導體制成。由于原始電纜的差分阻抗為 100 歐姆，因此綁在銅平面上的一根電線將具有相對于金屬平面的 50 歐姆特征阻抗。

圖 1 的數據是通過使用頻譜分析儀的跟蹤發生器激勵一條路徑并將發射測量天線連接到頻譜分析儀的輸入端而生成的。該天線具有高達約 3 GHz 的合理天線系數。圖 6 顯示了位于 EMC 室中的紙板箱上的電路板。左側的同軸電纜來自跟蹤發生器，右側的一米白線正好掛在通過鱷魚夾連接到其中一個板平面的盒子上。它被包括在內，以防飛機上的信號電壓可能導致連接的電纜輻射。同軸電纜屏蔽層和添加的電線形成某種偶極子，盡管是不對稱的。

圖 6

圖 5 是通過疊加圖 2 所示兩條路徑的發射數據生成的。這些圖涵蓋了從近直流到 2.9 GHz 的頻率范圍。圖的絕對大小并不重要。這取決于跟蹤發生器的輸出功率，但兩個圖之間的比較是驚人的。下方的軌跡是由留在電路板一側的路徑產生的，而上方的軌跡，顯示出明顯的峰值，是在穿過電路板的路徑通電時產生的。請注意，247 MHz 處的第一個峰值比位于電路板同一側的路徑在該頻率處的發射高出近 30 dB。

圖 1 顯示了信號通過電路板時導線和平面中的信號電流。當信號在平面之間通過時，信號返回路徑中會出現復雜的平面間阻抗 Z。由信號電流以及其他效應在該阻抗上產生的電壓會導致圖 5 中所示的發射。

對于板間距離遠小于 30 密耳的情況，板間阻抗通常也會更低，圖 5 中所示的效果將更小，問題也更少。如果關鍵信號從電路板的頂層過渡到現有（低成本）旁路電容器附近的底層，則對于四層電路板的影響也可以最小化。

總結：PCB 各層之間的轉換會給信號路徑帶來顯著的損害。電源和地平面之間的間距越大，影響越大。“四層”PCB 排放概況的示例顯示了可能發生的問題之一。

圖 7：使用 Agilent N9340B 頻譜分析儀的測試設置

第 3 部分：層間電壓

摘要：四層 PCB 被用于廣泛的應用中。然而，通常需要在頂部和底部信號層上布線一些信號路徑，以達到所需的布線密度。使用具有接地層和電源層的四層 PCB 模型，所提供的數據表明，除非遵守簡單的設計規則，否則在兩個信號層上路由信號可能會導致平面之間產生顯著的信號電壓。

討論：圖 7 顯示了用于生成數據的測試設置，由 Agilent N9340B 頻譜分析儀和測試板組成。測試板兩面都包銅，厚約 50 密耳。在將 BNC 連接器添加到電路板中間之前，電路板底部的特寫圖如圖 2 所示。兩條大約 9 英寸（~23 厘米）長的路徑從 SMA 連接器延伸到 51 歐姆負載電阻器。這些路徑是由 100 歐姆雙絞電話線的單根絕緣線制成的，它們被綁在下面的平面上，從而形成大約 50 歐姆的傳輸線。一條路徑留在板的底部，而另一條路徑在板的另一側運行大約其長度的 1/3。

圖 8：測試板的頂部

兩個平面通過 SMA 連接器和負載電阻短接在一起。這模擬了四層 PCB 的電源層和接地層之間的四個旁路電容器。大多數四層 PCB 有四個以上的旁路電容器，但我想展示一個只有四個的極限情況。與大多數四層 PCB 相比，結果是最壞的情況。但是，我見過需要額外旁路電容器的 PCB。此外，沒有有源元件（例如背板）的無源四層 PCB 有時幾乎沒有旁路電容器。

圖 8 顯示了測試板頂部的特寫。BNC 板安裝連接器已焊接到頂部平面（并用銅帶包圍，以確保從平面到連接器的 360 度接觸良好）。連接器的中心引腳焊接到底部平面，因此 BNC 連接器上的信號是平面之間的信號電壓。該連接器連接到頻譜分析儀輸入端，而分析儀的跟蹤發生器輸出連接到一個或另一個 BNC 連接器，電路板底部的信號路徑連接到該連接器（圖 3 的右側）。

圖 9 和圖 10 顯示了當跟蹤發生器分別連接到位于電路板一側的路徑和在兩側布線的路徑時產生的頻譜分析儀屏幕。跟蹤發生器設置為其最大電平 107 dBuV（0 dBm，約 224 mV）。請注意，對于在兩側布線的路徑，平面之間的電壓要大得多，在大多數頻率下高出數十 dB。在大約 240 MHz 的第一個峰值處，它高出 45 到 50 dB。

圖 9：頻譜分析儀結果

鑒于施加的信號約為 107 dBuV（進入 50 歐姆負載）并且平面之間的峰值讀數在 240 MHz 時約為 93 dBuV，平面之間的信號僅比施加的信號小 14 dB 或約 1/5施加的信號。這意味著平面之間的阻抗必須至少在 240 MHz 的中心 BNC 連接器區域內為幾歐姆。請記住，這些平面在距離“過孔”約 3 英寸（1.2 厘米）處短路在一起，信號在電路板頂部和底部之間通過。

圖 10：頻譜分析儀結果

與大多數四層 PCB（只有四個“旁路電容”）相比，這是一個限制情況，但對于無源背板和連接板來說可能是一個重大問題，因為如果有電容器的話，它們的間距可能很大。前段時間我回顧了一個無源板的布局，它在系統的兩個部分之間連接 SCSI 信號。SCSI 路徑在四層板的頂層進入，并在另一個連接器的底層退出。我讓做布局的人在 SCSI 信號的過孔區域添加旁路電容器，因為它們從頂層傳遞到底層，以防止出現上述效果。

鑒于上述數據，可以提出四層板的設計規則，其中關鍵信號（時鐘、復位或類似信號）必須從四層板的頂部信號層傳遞到底部信號層。此信號的過孔應位于現有或添加的旁路電容器附近。

總結：四層 PCB 模型的使用表明，在某些情況下，四層板的平面之間會產生顯著的信號電壓。由此產生的設計規則可能是在四層 PCB 上的旁路電容器附近定位重要信號的過孔。

第 4 部分：板間電壓（續）

摘要：四層 PCB 被用于廣泛的應用中。然而，通常需要在頂部和底部信號層上布線一些信號路徑，以達到所需的布線密度。使用帶有接地層和電源層的四層 PCB 模型，在時域中顯示的數據表明，除非遵守簡單的設計規則，否則兩個信號層上的布線信號會導致平面之間產生顯著的信號電壓。

圖 11：測試設置

討論：圖 11 顯示了用于生成數據的測試設置，由 Fischer Custom Communications TG-EFT 高壓脈沖發生器、Agilent Infinium 54845a 示波器和測試板組成。測試板兩面都包銅，厚約 50 密耳。在將 BNC 連接器添加到電路板中間之前，電路板底部的特寫圖如圖 2 所示。兩條大約 9 英寸（~23 厘米）長的路徑從 SMA 連接器延伸到 51 歐姆負載電阻器。這些路徑是由 100 歐姆雙絞電話線的單獨絕緣電線制成，它們綁在下面的平面上，從而形成大約 50 歐姆的傳輸線。一條路徑留在電路板的底部，而另一條路徑在電路板的頂部延伸其長度的大約 1/3（如圖 1 所示）。

兩個平面通過 SMA 連接器和負載電阻短接在一起。這模擬了四層 PCB 的電源層和接地層之間的四個旁路電容器。大多數四層 PCB 有四個以上的旁路電容器，但我想展示一個只有四個的極限情況。與大多數四層 PCB 相比，結果是最壞的情況。但是，我見過需要額外旁路電容器的 PCB。此外，沒有有源元件（例如背板）的無源四層 PCB 有時幾乎沒有旁路電容器。

圖 8 顯示了測試板頂部的特寫。BNC 板安裝連接器已焊接到頂部平面（并用銅帶包圍，以確保從平面到連接器的 360 度接觸良好）。連接器的中心引腳焊接到底部平面，因此 BNC 連接器上的信號是平面之間的信號電壓。此連接器連接到示波器輸入，而 TG-EFT 脈沖發生器輸出連接到一個或另一個 SMA 連接器，電路板底部的信號路徑連接到該連接器（圖 8 的右側）。SMA 轉 BNC 適配器用于將 BNC 電纜連接到示波器。

TG-EFT 設置為產生 100 伏脈沖（上升時間為 2 ns，下降時間約為 100 ns）。由于在 TG-EFT 的輸出端使用了 50 歐姆的串聯終端，并且信號路徑的其余部分也是 50 歐姆，因此此設置會在電路板上的信號路徑中產生一個大約 1 安培的電流脈沖。

圖 12：范圍圖

圖 12 和 13 顯示了當 TG-EFT 發生器分別連接到位于電路板一側的路徑和在兩側布線的路徑時產生的示波器圖。對于位于電路板同一側的路徑，圖 12 中的曲線顯示了大約 2 mV 的峰值幅度，這是一個非常小的值。圖 13 中由電路板頂部和底部之間的路徑產生的圖的峰值幅度約為 270 mV，這是一個更大的信號。請注意，圖 13 中的振鈴頻率約為 240 MHz，與 2010 年 6 月的技術花絮中在該電路板上的頻域中測得的諧振頻率相同。圖 12 中的主振鈴頻率要慢得多，而且幅度如此之低，它也可能出現在圖 13 中，但太小而無法在 100 mV/div 垂直刻度上看到。

在許多情況下，可以將 1 安培或更多電流傾倒到 PCB 的電源接地結構中。例如，從背板的頂層到底層變化的寬總線，如果位在同一方向上同時變化，就會在平面中產生大量電流。現代總線也可能比用于此實驗的電流的 2 ns 上升時間更快，這可能會使問題變得更糟。

作為對我的一位客戶的測試，我曾經將大約 90 安培的電流從 EFT 發生器的輸出以 5 ns 的上升時間傾倒到 PCB 的 3.3 伏電源層（相對于接地層）。沒有觀察到電路板的操作錯誤，這是一個非常好的設計，比我們在這里使用的測試板好兩個數量級或更多。

圖 13：范圍圖

與大多數四層 PCB（只有四個“旁路電容”）相比，這是一個限制情況，但對于無源背板和連接板來說，所描述的影響可能代表一個重大問題，因為這些背板和連接板可能有很寬的電容器，如果有的話。前段時間我回顧了在系統的兩個部分之間連接 SCSI 信號的無源四層板的布局。SCSI 路徑在頂層進入并在底層退出到另一個連接器。我讓做布局的人在 SCSI 信號的過孔區域添加旁路電容器，因為它們從頂層傳遞到底層，以防止出現上述效果。

鑒于上述數據，可以為四層板提出一個設計規則，其中關鍵或噪聲信號（總線、時鐘、復位或類似信號）必須從四層板的頂部信號層傳遞到底部信號層：這些信號應位于現有或添加的旁路電容器附近。

總結：四層 PCB 模型的使用表明，當信號在頂層和底層之間布線時，在某些情況下，四層板的平面之間會產生顯著的信號電壓。由此產生的設計規則可能是在四層 PCB 上的旁路電容器附近定位噪聲或重要信號的通孔。