【导读】许多PCB工程师都有过如许的履历：布线到一半才发明层数预留不足、结构完成后才意想到接地架构存于天赋缺陷，终极致使产物EMI测试重复欠亨过，不能不返工调解。于这套PCB场约束系列的第三部门内容里，就聚焦布线前最轻易被纰漏的两年夜焦点决议计划——怎样把道理图的设计用意转化为合理的器件结构计谋，以和怎样于动手布线前选对于适配场景的接地架构，帮工程师从源头规避繁杂电路板的结构返工危害。

本系列前两部门论述了PCB场约束的基本物理道理，并提出了实用的结构技能，以最年夜限度降低电磁滋扰(EMI)、削减滋扰和对于外部场的敏感性。本系列第三部门切磋了决议繁杂电路板结构成败的两项前期要害决议计划：怎样将道理图设计用意转化为合理的器件结构计谋，怎样于布线最先前选择适合的接地架构。本文阐述了怎样收拾道理图以满意结构要求、怎样使用差分旌旗灯号连结接地完备性、何种环境下选择接地树而非实心接地平面。从一最先就准确做出上述基础决议计划，是确保电路板初次经由过程EMI合规性测试的靠得住路子。

弁言

于结构历程中才发明层数不足以准确完成设计，是工程师面对的常见挑战。对于在繁杂电路板，应怎样举行结构计划以免返工？本系列第三部门将切磋布线最先前必需解决的基础计划问题。

准确完成结构需要多年夜的物理面积（凡是与元器件及引脚数目相干）？

怎样使用道理图引导器件结构决议计划，并于布线前防止滋扰？

何种环境下需采用接地树而非接地平面？

有一些于线东西可帮忙估算PCB面积及所需的旌旗灯号层数。此中大都东西会需要如下信息：

元器件及引脚总数是几多？

过孔焊盘环宽及钻孔尺寸是几多？

答应的最小走线宽度是几多？

功效电压间距的要求是甚么？

此类于线东西虽然有帮忙，但不敷周全。此类东西年夜多未思量散热要求、特定收集的载流能力、因功效或者安全间距要求而增长的电压间距，也没有将防止高敏感电路串扰所需的分外设计技能及间距纳入考量。简而言之，此类东西对于现实运用场景全无所闻。

本文将提供一套引导流程，协助设计更优质的PCB。

从道理图到结构

道理图设计始终处在首位，设计职员应透辟理解道理图内容和电路内部事情道理。这一点至关主要，怎么夸大都不为过。

如前所述，电路板面积及尺寸凡是取决在元器件及引脚数目，而叠层布局则由收集或者传输线的数目和其功效决议。道理图（或者设计方案）应明确上述约束前提，但现实环境并不是老是云云，有时可用空间极其有限。于道理图中安插元器件时，应反应现实结构需求，或者至少于道理图中添加响应解释以辅助结构。需要紧凑安插的节点应于道理图上标注为紧凑，需要接近的电路应于道理图上就近放置。诸云云类的做法将有助在后续的器件结构事情。有些设计（如射频或者高速数字电路）需存眷物理间隔（流传延迟）或者其他模仿特征（例如周详模仿电路）；而于其他设计中，电路元器件可视为集总元件，物理间隔再也不主要。所有上述细节均应以适量方式标注于道理图上，以明确从道理图过渡到PCB设计时的要害要素。

器件结构与布线

于必然水平上，结构方案也会影响道理图设计，好比当需要降服低层数板带来的设计让步，或者举行多板设计（包括板对于板毗连器）时。差分旌旗灯号的运用即为典型案例（图1）。此项技能经常使用在需长间隔传输的模仿或者数字旌旗灯号，例如电缆传输场景。于这项技能中，正负旌旗灯号同时经由过程电缆传输（除了地线外）。各旌旗灯号孕育发生的位移电流于地线上彼此抵消，从而形成险些不受共模滋扰或者电磁滋扰(EMI)影响的通讯路径。一样的技能也可用在PCB上的短间隔传输，以连结接地完备性，合用在周详或者敏感模仿旌旗灯号，或者于PCB走线间隔太长时利用。

图1：于PCB上实现差分旌旗灯号的两种差别方式

图1a中，两条等长的互补旌旗灯号线并行布设，共用统一接地平面。图1b中，旌旗灯号线漫衍在差别层，由接地平面分开。因为各旌旗灯号的物理位置险些不异，耦合的滋扰旌旗灯号也应一致。是以，差分旌旗灯号可有用按捺耦合噪声。

有时没法彻底消弭地线中的电流，此时需将接地平面支解为多个区域，或者改用接地树布局。是否有须要采用上述要领取决在结构的几何外形。为便在实行，可修改道理图以分散地线：连结统一收集，但利用差别的地线符号（如gnd一、gnd二、gnd3等），从而强迫于结构中实现地线分散。

接地树与接地平面

正如本系列第2部门所述，天然界老是偏向在从源端获取起码能量（不管是存储还有是耗散）。对于在接地平面上方走线中的交流旌旗灯号，旌旗灯号地回流电流始终沿旌旗灯号走线正下方的地平面流动。原本仅依据法拉第定律便可完成电磁场限定的目的，但旌旗灯号走线周围仍设有完备的接地平面（带状线设计则有两个接地平面）。实心接地平面可提供更优的高频去耦机能（即于更高频率下提供更低阻抗的电源），且年夜面积铜箔能更有用地限定直流及交流电磁场。

既然云云，为什么还有要利用接地树布局而非接地平面？图2及图3展示了这两种要领，并附有描写有损传输线阻抗的公式。

先来看这个公式，于直流前提下(ω = 0)，路线的阻抗是√((R/G))（即损耗部门）。对于在电流回流路径，1/G一样代表电阻，是以电流沿最小电阻路径回流，充实使用所有可用铜箔。此征象素质上是天然界于最小化能量。于此低频环境下，I2R损耗耗损的能量弘远在接地回路电感存储的能量。当ω = 0时，直流回流电流再也不局限在旌旗灯号走线正下方区域，铜箔中的电流流动会于接地平面上孕育发生电压降。

图2：PCB接地树接处所法

构建接地树时，应从变压器最先，优先指导噪声最年夜的电流回流（图2）。随后，继承将其他接地回流电流汇入以丈量地为尽头的分支。此要领可将接地噪声及偏差转换为易在按捺的共模旌旗灯号。注：为顺应元器件位置，某些分支可能较长。末了可于所有分支上铺设接地铜箔，于不影响此要领有用性的条件降落低电源阻抗。

图3：PCB接地平面要领

先将接地平面的双侧别离指定为相邻旌旗灯号层的专用回流路径。若未采用接地树布局，低频下接地电流噪声源转化为共模偏差还有是差模偏差，将彻底取决在元器件结构。

而于高频下，电感限定了总电流幅值，是以削减储能成为降低源端能量提取的要害参数。

于低频下，上述电流引起的接地电压降可能致使丈量偏差，详细取决在元器件结构和要害丈量的接地参考点位置。因而可知，接所在的电位并不是到处为零。

接下来阐发图3所示的接地平面结构。此要领经由过程节制回流电流路径，确保年夜电流不会孕育发生可被检测到的电压降。

于道理图中，可对于每一个分支举行差异化标志，以强化PCB中的架构设计。现实上，采用接地树会显著增长结构事情量，由于仍需为所有传输线提供受控（且狭窄）的场空间，以限定交流电磁场。图2中所示的所有接地铜箔填充均为解决此问题所必须。

结语

布线前的决议计划决议了后续设计的成败。经由过程调解道理图以满意结构需求，并及早选择适合的接地架构，可为电路板按预期运行奠基坚实基础。不管设计中采用实心接地平面还有是周详节制的接地树，方针始终一致：限定电磁场、节制回流电流、避免噪声耦合至敏感节点。本系列第4部门将于此基础上，切磋怎样计划电源体系布线、怎样确定设计所需的准确层数及叠层布局。

参考文献

Richard P. Feynman、Robert B. Leighton及Matthew Sands，费曼物理学课本，第二卷：新千年版：重要触及电磁学及物资。Basic Books，2011年。

Howard W. Johnson及Martin Graham，High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic，PTR Prentice Hall，1993年4月。

Ralph Morrison，Fast Circuit Boards: Energy Management，John Wiley Sons Publications，2018年1月。

作者简介

James Niemann在2020年3月插手ADI公司，今朝担当现场运用工程师，于美国俄亥俄州克里夫兰事情。James拥有跨越35年的富厚事情经验，曾经从事测试与丈量装备设计事情，今朝担当ADI现场运用工程师。他持有15项专利。

总结

经由过程于道理图上标注要害电路的物理间隔要求，提早对于齐后续结构的焦点约束；借助差分旌旗灯号技能维持接地完备性，防止没必要要的地环路滋扰；同时清楚拆解了低频场景下接地树布局比拟实心接地平面的怪异价值，明确了差别场景下两种接处所案的适配界限。这些布线前的基础决议计划，恰是帮忙繁杂电路板一次性经由过程EMI合规测试的焦点条件，也为后续系列内容切磋电源布线与叠层布局设计打下了扎实的理论与实践基础。