很多人画板子的时候对信号走线小心翼翼阻抗算得精准、间距卡得死死的但到了地平面就觉得铺铜就好了。甚至有人觉得地就是0V怎么连都行、怎么分割都没事。说实话这种认知是EMI和信号完整性问题最常见的根源之一。今天这篇文章把地平面设计这件事讲透。地不是0V地平面不是随便铺铜回流路径不是你想当然的那个路径。搞明白这几件事你的板子EMI和信号质量问题能少一半。一、为什么你的地不是0V先纠正一个根深蒂固的错误认知地不是0V。至少在高速信号和瞬态电流的场景下地平面上的不同位置之间存在明显的电压差。原因其实不复杂。地平面是铜做的铜虽然导电性好但它的电阻不是零电感更不是零。当电流从地平面流过的时候根据欧姆定律VIR有电阻就有压降更关键的是高速信号的回流电流是高频交流地平面本身存在寄生电感感抗XL2πfL在频率升高时会变得很可观。一个简单的估算1盎司铜皮1mm宽、10mm长的地路径直流电阻大约5毫欧看起来很小但在1GHz频率下这段铜皮的感抗可能达到几十毫欧甚至更高。这意味着什么当地平面上同时有数字信号回流和模拟信号回流的时候数字回流在地平面上产生的压降会叠加到模拟地上直接污染模拟信号的参考电平。这就是为什么你的ADC采样总有噪声、为什么你的传感器信号总是不干净——不是传感器本身的问题是地平面没设计好。记住一个核心原则地平面上任意两点之间的电位差取决于回流电流的大小和频率以及这两点之间地平面的阻抗。电流越大、频率越高、铜皮越窄越薄电位差越大。这个电位差就是所有地相关问题的根源。二、地平面设计不当会引发什么问题1、信号回流路径断裂——EMI辐射超标高速信号走线需要一条低阻抗的回流路径而这条路径就在信号走线正下方的地平面。如果地平面在信号走线下方被分割了比如模拟地和数字地之间有割缝回流电流就不得不绕过割缝去寻找参考地。这一绕回流路径的面积就变大了——大环路面积就是大辐射天线EMC测试想不挂都难。这个问题在多层板里特别常见。很多人习惯在四层板的内层把GND分割成AGND和DGND两个区域觉得模拟信号走AGND区域上方、数字信号走DGND区域上方就干净了。但实际上当高速数字信号从DGND区域跨越到AGND区域上方时这种情况在实际Layout里几乎不可避免回流路径就断了。信号以为自己在参考AGND但AGND平面下方可能根本不是它的回流路径——回流电流在两个地平面之间来回跳转环路面积暴增。2、地弹效应——高速接口的隐形杀手地弹Ground Bounce是另一个被严重低估的问题。当芯片的IO口同时翻转比如一个8位总线同时从低变高大量回流电流瞬间涌入地引脚地平面上的瞬态压降可能达到几百毫伏。这个压降会叠加到芯片的地参考电平上导致芯片误判信号的逻辑状态——明明是低电平因为地被弹高了芯片以为是高电平数据就错了。地弹的严重程度跟三个因素直接相关同时翻转的IO数量越多越严重、地引脚和地平面的寄生电感越大越严重、信号上升时间越快越严重。现代高速芯片的IO翻转速度越来越快地弹问题只会越来越突出。3、共模噪声——系统级的EMC隐患地平面上不同区域之间的电位差会通过连接器和电缆传导出去形成共模电流。共模电流沿着外部电缆流动电缆长度正好是某些频段的谐振天线——这就是为什么你的产品接了线之后EMC辐射突然变差。根源还是在板子上地平面的设计没做好给了共模噪声一个出口。三、地平面设计的核心原则知道问题出在哪接下来就是怎么设计。以下这几条原则每一条都是用翻车换来的经验。1、完整地平面优先于分割地平面这是最重要的一条原则。在层数允许的情况下至少留一层完整的GND平面不要在完整地上乱割缝。完整的GND平面能为所有信号提供最低阻抗的回流路径信号在哪条走线上回流就自动在正下方的地平面上流动环路面积最小辐射最小。有人担心模拟信号和数字信号共用一个地平面会互相干扰。其实只要Layout的时候注意模拟信号区域和数字信号区域在物理上分开回流电流自然不会交叉。真正会出问题的是信号跨区域走线而不是地平面本身。所以正确做法是保持地平面完整通过控制信号走线的路径来避免数模干扰而不是去割地。2、如果必须分割注意信号跨越问题有些设计确实需要分割地平面比如医疗设备的BF型应用部分或者在两层板里根本没有完整地平面可用。这时候如果信号必须跨越地的分割缝隙有两个补救方法方法一在缝隙两端就近跨接一个0欧姆电阻或者磁珠给回流电流提供一条桥接路径。电阻的阻值虽然很低但高频下寄生电感才是主要矛盾所以关键是要让跨接路径尽可能短、尽可能靠近信号线。方法二在信号线跨越缝隙的位置旁边加一个耦合电容通常1nF~100nF为高频回流电流提供一条容性通路。这两种方法都不能完全替代完整地平面但在不得不分割的时候是有效的补救手段。3、多层板的地平面层分配不同层数板的地平面配置差异很大合理分配直接决定了信号质量四层板推荐叠层为Signal-GND-Power-Signal。中间两层分别作为完整地平面和电源平面。信号层走线尽可能靠近地平面层这样回流路径最短。这种配置下只要不在GND层割缝信号完整性基本不会出大问题。六层板推荐叠层为Signal-GND-Signal-Signal-Power-Signal或者Signal-GND-Signal-Power-GND-Signal。关键是在两个信号层之间至少有一个完整的GND平面让上下两个信号层都有就近的回流参考。八层板及以上可以有多个地平面层信号层和地平面层交替排列。这种配置下高速信号尽量走在两个地平面层之间带状线结构EMI性能最好。如果信号走在外层微带线结构要确保信号层下方紧邻的就是地平面。4、过孔换层时的地回流处理信号过孔换层的时候参考地平面也会发生变化比如从L2的GND换到L6的GND。如果没有就近放置回流地过孔回流电流就得从远处的电容或者连接器去找新的参考地环路面积直接翻倍。正确做法是在信号过孔旁边0.3~0.5mm的位置放置至少一个接地过孔连接到信号需要参考的所有地平面层。对于差分信号建议在差分对两侧各放一个地孔形成对称回流路径。地平面设计的核心思想其实就一句话为回流电流提供最直接、最低阻抗的路径。回流路径越短、越连续、阻抗越低信号质量越好、EMI越小。所有的设计规则——不割地、靠近地平面、配套回流地孔——本质上都是在服务这个目标。最后说一点地平面设计不是Layout阶段才要考虑的事情。在叠层规划阶段就应该想清楚每一层的功能分配、信号走线在哪个层、回流路径在哪里。叠层规划决定了地平面的格局Layout只是在这个格局里做细节。如果叠层规划就有问题后面再怎么优化Layout也很难救回来。
地平面设计——为什么你的“地“不是0V
很多人画板子的时候对信号走线小心翼翼阻抗算得精准、间距卡得死死的但到了地平面就觉得铺铜就好了。甚至有人觉得地就是0V怎么连都行、怎么分割都没事。说实话这种认知是EMI和信号完整性问题最常见的根源之一。今天这篇文章把地平面设计这件事讲透。地不是0V地平面不是随便铺铜回流路径不是你想当然的那个路径。搞明白这几件事你的板子EMI和信号质量问题能少一半。一、为什么你的地不是0V先纠正一个根深蒂固的错误认知地不是0V。至少在高速信号和瞬态电流的场景下地平面上的不同位置之间存在明显的电压差。原因其实不复杂。地平面是铜做的铜虽然导电性好但它的电阻不是零电感更不是零。当电流从地平面流过的时候根据欧姆定律VIR有电阻就有压降更关键的是高速信号的回流电流是高频交流地平面本身存在寄生电感感抗XL2πfL在频率升高时会变得很可观。一个简单的估算1盎司铜皮1mm宽、10mm长的地路径直流电阻大约5毫欧看起来很小但在1GHz频率下这段铜皮的感抗可能达到几十毫欧甚至更高。这意味着什么当地平面上同时有数字信号回流和模拟信号回流的时候数字回流在地平面上产生的压降会叠加到模拟地上直接污染模拟信号的参考电平。这就是为什么你的ADC采样总有噪声、为什么你的传感器信号总是不干净——不是传感器本身的问题是地平面没设计好。记住一个核心原则地平面上任意两点之间的电位差取决于回流电流的大小和频率以及这两点之间地平面的阻抗。电流越大、频率越高、铜皮越窄越薄电位差越大。这个电位差就是所有地相关问题的根源。二、地平面设计不当会引发什么问题1、信号回流路径断裂——EMI辐射超标高速信号走线需要一条低阻抗的回流路径而这条路径就在信号走线正下方的地平面。如果地平面在信号走线下方被分割了比如模拟地和数字地之间有割缝回流电流就不得不绕过割缝去寻找参考地。这一绕回流路径的面积就变大了——大环路面积就是大辐射天线EMC测试想不挂都难。这个问题在多层板里特别常见。很多人习惯在四层板的内层把GND分割成AGND和DGND两个区域觉得模拟信号走AGND区域上方、数字信号走DGND区域上方就干净了。但实际上当高速数字信号从DGND区域跨越到AGND区域上方时这种情况在实际Layout里几乎不可避免回流路径就断了。信号以为自己在参考AGND但AGND平面下方可能根本不是它的回流路径——回流电流在两个地平面之间来回跳转环路面积暴增。2、地弹效应——高速接口的隐形杀手地弹Ground Bounce是另一个被严重低估的问题。当芯片的IO口同时翻转比如一个8位总线同时从低变高大量回流电流瞬间涌入地引脚地平面上的瞬态压降可能达到几百毫伏。这个压降会叠加到芯片的地参考电平上导致芯片误判信号的逻辑状态——明明是低电平因为地被弹高了芯片以为是高电平数据就错了。地弹的严重程度跟三个因素直接相关同时翻转的IO数量越多越严重、地引脚和地平面的寄生电感越大越严重、信号上升时间越快越严重。现代高速芯片的IO翻转速度越来越快地弹问题只会越来越突出。3、共模噪声——系统级的EMC隐患地平面上不同区域之间的电位差会通过连接器和电缆传导出去形成共模电流。共模电流沿着外部电缆流动电缆长度正好是某些频段的谐振天线——这就是为什么你的产品接了线之后EMC辐射突然变差。根源还是在板子上地平面的设计没做好给了共模噪声一个出口。三、地平面设计的核心原则知道问题出在哪接下来就是怎么设计。以下这几条原则每一条都是用翻车换来的经验。1、完整地平面优先于分割地平面这是最重要的一条原则。在层数允许的情况下至少留一层完整的GND平面不要在完整地上乱割缝。完整的GND平面能为所有信号提供最低阻抗的回流路径信号在哪条走线上回流就自动在正下方的地平面上流动环路面积最小辐射最小。有人担心模拟信号和数字信号共用一个地平面会互相干扰。其实只要Layout的时候注意模拟信号区域和数字信号区域在物理上分开回流电流自然不会交叉。真正会出问题的是信号跨区域走线而不是地平面本身。所以正确做法是保持地平面完整通过控制信号走线的路径来避免数模干扰而不是去割地。2、如果必须分割注意信号跨越问题有些设计确实需要分割地平面比如医疗设备的BF型应用部分或者在两层板里根本没有完整地平面可用。这时候如果信号必须跨越地的分割缝隙有两个补救方法方法一在缝隙两端就近跨接一个0欧姆电阻或者磁珠给回流电流提供一条桥接路径。电阻的阻值虽然很低但高频下寄生电感才是主要矛盾所以关键是要让跨接路径尽可能短、尽可能靠近信号线。方法二在信号线跨越缝隙的位置旁边加一个耦合电容通常1nF~100nF为高频回流电流提供一条容性通路。这两种方法都不能完全替代完整地平面但在不得不分割的时候是有效的补救手段。3、多层板的地平面层分配不同层数板的地平面配置差异很大合理分配直接决定了信号质量四层板推荐叠层为Signal-GND-Power-Signal。中间两层分别作为完整地平面和电源平面。信号层走线尽可能靠近地平面层这样回流路径最短。这种配置下只要不在GND层割缝信号完整性基本不会出大问题。六层板推荐叠层为Signal-GND-Signal-Signal-Power-Signal或者Signal-GND-Signal-Power-GND-Signal。关键是在两个信号层之间至少有一个完整的GND平面让上下两个信号层都有就近的回流参考。八层板及以上可以有多个地平面层信号层和地平面层交替排列。这种配置下高速信号尽量走在两个地平面层之间带状线结构EMI性能最好。如果信号走在外层微带线结构要确保信号层下方紧邻的就是地平面。4、过孔换层时的地回流处理信号过孔换层的时候参考地平面也会发生变化比如从L2的GND换到L6的GND。如果没有就近放置回流地过孔回流电流就得从远处的电容或者连接器去找新的参考地环路面积直接翻倍。正确做法是在信号过孔旁边0.3~0.5mm的位置放置至少一个接地过孔连接到信号需要参考的所有地平面层。对于差分信号建议在差分对两侧各放一个地孔形成对称回流路径。地平面设计的核心思想其实就一句话为回流电流提供最直接、最低阻抗的路径。回流路径越短、越连续、阻抗越低信号质量越好、EMI越小。所有的设计规则——不割地、靠近地平面、配套回流地孔——本质上都是在服务这个目标。最后说一点地平面设计不是Layout阶段才要考虑的事情。在叠层规划阶段就应该想清楚每一层的功能分配、信号走线在哪个层、回流路径在哪里。叠层规划决定了地平面的格局Layout只是在这个格局里做细节。如果叠层规划就有问题后面再怎么优化Layout也很难救回来。
