PCB中的电源层和接地层为什么这么重要

接地层和电源层是　ＰＣＢ　设计中的大面积导电区域，用途多样。接地层为电信号提供公共参考点，并作为电流的返回路径。电源层将电源电压传输到电路板上的各个组件，以帮助在整个　ＰＣＢ　上均匀分配功率，从而减少压降并确保稳定的供电。虽然电源层具有诸多优势，但它们也需要仔细规划电流返回路径，以防止信号衰减，尤其是在混合信号设计中。

电源层和接地层的重要性

接地层通过为回流提供低阻抗路径来帮助降低噪声和电磁干扰　（ＥＭＩ），从而改善和保持信号完整性。与电源层结合使用，它们还可以增强功率传输，并有助于防止在功率需求出现短暂、突然峰值的应用中出现掉电问题。添加的固体导电材料还有助于分散　ＰＣＢ　上组件产生的热量，从而在不增加成本的情况下改善热管理。对于设计人员而言，接地层和电源层无需手动布线，从而简化了布线并实现了更高密度的设计。相反，由于电子器件中涉及的物理特性，参考层和电源层也可能带来一些挑战。由于导电元件之间的接近性以及它们之间的介电材料，ＰＣＢ　中任何两个相邻层都会自然形成电容。此过程包括信号走线层和电源层，如果在　ＰＣＢ　设计中未考虑到这些因素，则可能会导致问题。

多层　ＰＣＢ　返回电流路径

在信号上升时间（约为几纳秒）较短的纯数字设计中，返回电流路径往往会紧贴信号走线。最近的接地平面中的感应电流呈类似窄高斯分布的形状扩散。然而，模拟设计中的返回电流路径可能不会直接沿着走线流动。相反，返回电流可能会跨越传输模拟信号的走线周围相对较宽的区域。在这些情况下，模拟信号的开关频率越低，扩散区域就越大。当走线直接位于实体参考平面上方时，返回电流通常会通过一条直接的低阻抗路径到达该平面。然而，在其他情况下，返回电流路径会继续穿过整个层堆叠，直到到达合适的参考平面。如果不加以考虑和仔细规划，这些返回电流路径可能会变得非常长，最终类似于信号层之间没有合适参考平面的间接布线。这种感应电流可能会导致混合信号ＰＣＢ设计的模拟部分和数字部分之间产生串扰和信号衰减。

缓解返回电流路径问题

解决此问题的一种方法是将所有会产生返回电流的元件放置在靠近　ＧＮＤ　平面的一侧，以优化返回路径。或者，在电源平面和　ＧＮＤ　平面之间添加额外的去耦电容，为返回电流提供一条低阻抗路径到　ＧＮＤ，从而缓解　ＥＭＩ　问题。对于设计人员来说，层堆叠优化可能适合避免引入新的或依赖现有的去耦电容。例如，在四层　ＰＣＢ　设计中，顶层可用于信号和电源线，底层可以专门包含信号走线。两个内层可用作参考平面。然后，两个外部信号层都具有一条直接的低阻抗路径到其中一个内部　ＧＮＤ　平面。更复杂的设计可能需要引入四层以上的层，以便信号走线始终可以直接布线在合适的参考平面上方。

该图说明了四层　ＰＣＢ　设计中排列各层的三种可能方式。

通过将底层用作接地　（ＧＮＤ）　和电源层、顶层用作信号层，并在信号层正下方放置一个额外的接地　（ＧＮＤ）　层，可以实现极低阻抗的　ＰＤＮ。这种方法有利于具有高电流消耗或快速开关元件的设计。

混合信号设计中的地平面设计

在混合信号ＰＣＢ设计中，接地平面设计的最终目标是尽可能地隔离和分离混合信号区域，以防止干扰。如果无法做到这一点，设计人员应确保数字电路不会在ＰＣＢ的模拟部分产生感应电流，因为模拟电路通常更容易受到噪声的影响。在现代设计中，通常不建议将ＧＮＤ平面物理地分隔成多个较小的平面，以防止平面之间未定义的返回电流路径引起问题。相反，只有出于法规或物理原因需要物理隔离ＧＮＤ信号时，例如在安全关键型应用、隔离电源转换器或大功率应用中，才应进行完全隔离。

各个区域正上方的返回电流路径定义明确，但隔离参考平面之间间隙的确切行为却难以评估。

在混合信号Ａ／Ｄ电路中，多个接地层可能为不同的信号类别提供不同的参考。然而，在这种情况下，设计人员通常希望使用网络连接将ＧＮＤ网络连接在单个点上。因此，主要目标不是物理隔离，而是防止数字噪声影响ＰＣＢ上更易受影响的模拟子电路。

设计分离接地平面的注意事项

如果需要或想要物理隔离的　ＡＧＮＤ　和　ＤＧＮＤ　区域，设计人员必须仅将数字信号路由到合适的数字参考平面上方。同样，模拟走线必须位于模拟　ＧＮＤ　平面上方，以防止　ＥＭＩ　问题和两个区域之间的信号串扰。如果需要网络连接，则应将其放置在不允许任何来自某一类型信号的返回电流进入不同参考平面的位置。当同时处理低频模拟和数字信号时，完全隔离通常更容易管理。在具有高频模拟子电路的混合设计中，网络连接可能更合适。对于隔离电源转换器，初级和次级　ＧＮＤ　网络应通过不同的方式连接　－　例如，使用非常高值的安规电容，允许来自输出侧的噪声通过电容返回到输入侧，同时保持隔离屏障。

缝合过孔的作用及其对走线的影响

过孔拼接是一种利用过孔将ＰＣＢ不同层上的铜平面连接在一起的技术。该方法有助于保持较短、低阻抗的电流回路，并创建低电磁噪声区域，这正是射频设计所期望的。然而，考虑过孔对附近走线和平面的潜在影响至关重要。过孔会引入阻抗不连续性、反射和串扰，尤其是在高频下。此外，过孔还会在实体参考平面中产生间隙，从而干扰附近走线的电流回路。因此，需要仔细布局和布线，以减轻这些影响并确保最佳的ＰＣＢ电源分配网络性能。

底线

电源平面有助于降低噪声和电磁干扰　（ＥＭＩ），并保持信号完整性。然而，由于电子器件中涉及的物理特性，电源平面也带来了额外的挑战。设计人员必须仔细考虑和规划电流回流路径及其对邻近元件和导电层的影响，尤其是在混合信号设计中。有几种方法可以帮助缓解这些问题。最常用的方法之一是层堆叠优化，设计人员可以通过改变多层设计中的层排列，将信号层移至参考平面上方。这样做可以确保到地　（ＧＮＤ）　的电流回流路径更短、阻抗更低。精心放置的去耦电容也可以达到类似的效果。在混合信号设计中，克服信号衰减的一种方法是尽可能分散频率极低的模拟和数字元件。通常仅在需要或必须进行物理隔离时才建议使用单独的接地平面——例如，出于安全法规的要求。相反，设计人员应该采用其他方法，例如单网络连接或安全电容。过孔栅栏也有助于在混合信号　ＰＣＢ　设计中创建低噪声区域。