詳解PCB設(shè)計(jì)的高速信號(hào)跨溝及信號(hào)回流

回流基本概念

從電路理論上看，信號(hào)是由電流傳播的，明確的說是電子的運(yùn)動(dòng)，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無論電流流到哪里，必然要回來，因此電流總是在環(huán)路中流動(dòng)，從源到負(fù)載然后從負(fù)載到源。

實(shí)際上，傳輸線是可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來，由于沒有物理線路，回路途徑變得難于估計(jì)，要對(duì)他們進(jìn)行控制有一定的難度。

傳輸線及其信號(hào)完整性的一個(gè)經(jīng)常被忽視的方面是回流。假設(shè)一條信號(hào)線本身形成一條傳輸線是不正確的。在信號(hào)走線中流動(dòng)的電流在其下方的參考平面中具有相等和相反的互補(bǔ)電流。

ReturnPath回流路徑

高速設(shè)計(jì)已成為愈來愈多PCB設(shè)計(jì)人員關(guān)切的重點(diǎn)。在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，每位工程師都應(yīng)重視其信號(hào)完整性，并且需時(shí)常考慮其信號(hào)電路的回流路徑，因?yàn)椴涣嫉幕亓髀窂饺菀讓?dǎo)致噪聲耦合等信號(hào)完整性問題。如果電流必須經(jīng)過很長(zhǎng)的路徑才能返回，信號(hào)路徑的電感回路會(huì)增加。當(dāng)系統(tǒng)中的電感回路越大，這些信號(hào)愈有可能吸收來自系統(tǒng)中任何其他Net的噪聲。

一般回流路徑不連續(xù)問題常是由于缺少接地過孔Via、接地層中的間隙、缺少去耦電容，或是使用錯(cuò)誤Net所引起的。而當(dāng)你的PCB設(shè)計(jì)愈趨復(fù)雜，要快速找出這些問題難度也愈高。

本文將通過設(shè)計(jì)實(shí)例詳解如何使用Allegro®PCBDesigner中IDA(In-DesignAnalysis，設(shè)計(jì)同步分析)的ReturnPath分析功能，在PCB設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行回流路徑分析，幫助工程師快速找出那些高速信號(hào)的回流路徑是否適當(dāng)，以確保Layout的質(zhì)量并且減少產(chǎn)品量產(chǎn)后因信號(hào)不穩(wěn)而需要召回的重大損失，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一次性成功。

本文重點(diǎn)

回流路徑釋義ReturnPath分析重要性ReturnPath分析實(shí)例詳解ReturnPath分析結(jié)果解析

1、何謂回流路徑(ReturnPath)

電氣產(chǎn)品的運(yùn)作需要有其信號(hào)的回路才能運(yùn)行，就像下圖(一)中電池的負(fù)極也要接那條藍(lán)線過去電燈才會(huì)亮。早期，我們可以看到電報(bào)系統(tǒng)是把“大地”當(dāng)作信號(hào)回路的地平面，可以少布另一條地線以減少昂貴成本。或若在現(xiàn)代生活中類似情況就是當(dāng)車上要加裝燈泡時(shí)，我們可以把“車殼”視作信號(hào)回路的地，將燈泡負(fù)極直接接至車殼就會(huì)亮，就可以省掉多布一條線的麻煩，且也不太需要考慮到回流路徑問題。

不過若當(dāng)要接上的是行車系統(tǒng)、CAN(車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))甚或是ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))上的各種感應(yīng)或處理器，就不是直接接上、省掉導(dǎo)線這么單純了，因較易涉及高頻/高速傳輸，會(huì)必須要注意其回流路徑的完整性。

同樣的!對(duì)PCB設(shè)計(jì)上來說，如果是低頻信號(hào)其回流路徑會(huì)隨最低阻抗而返回，但隨著頻率拉高，電流需要以封閉回路回到源頭，因而會(huì)更考慮最低電感的回流路徑，并且通常會(huì)對(duì)應(yīng)在其布線的上下層返回路徑如下左圖(二)示意，以避免如下右圖(二)因內(nèi)層切割而造成回流路徑迂回的問題，所以高速信號(hào)的回流路徑考慮就更顯重要了。

2、什么需要ReturnPath分析?

如上所述，考慮高速信號(hào)的回流路徑至關(guān)重要，因稍一不慎就會(huì)大大減弱電路功能。一般而言，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)PCB的DRC檢查只會(huì)檢查鼠線有沒接完和安全間距夠不夠這兩種狀況，所以像ReturnPath這樣的分析就較不易實(shí)現(xiàn)，往往需有經(jīng)驗(yàn)的老手開啟相關(guān)的圖層跟著看高速信號(hào)走線的相鄰層來確?；亓髀窂?，管控Layout質(zhì)量。亦或?qū)ayout訂立一些走線旁該怎么加STItchingVia的規(guī)范，STItchingVia的示意如下圖(三)，至于差動(dòng)信號(hào)打Via后旁邊要拱幾個(gè)STItchingVia，那又是另外的故事了!

甚或是最后不得已需添加縫補(bǔ)電容以填補(bǔ)那些跨不過壕溝(Moat)，而導(dǎo)致成本增加以完善回流路徑，如下圖(四)TI規(guī)范中的例子。

所以如果我們有個(gè)直觀的輔助分析工具會(huì)依照信號(hào)的幾何結(jié)構(gòu)分析回流路徑，并在不需Models的狀況下，計(jì)算出其電感的比值RPQF(ReturnPathQualityFactor，回流路徑質(zhì)量系數(shù))如下圖五所示。

當(dāng)RPQF值越趨近于1，則表示信號(hào)布線與與回流路徑是越貼近的，越高則代表回流路徑越曲折繞越遠(yuǎn)的路徑。

而且在執(zhí)行分析完畢后可直接列出相關(guān)信號(hào)的RPQF值如下圖六所示，讓我們能快速識(shí)別各個(gè)信號(hào)的嚴(yán)重性，修正不理想的部分。

注：IDA(In-DesignAnalysis，設(shè)計(jì)同步分析)中另外的Impedance阻抗分析和Coupling耦合干擾分析，也是一樣可以在不需Models的情況下，照著檢查流程執(zhí)行就可以很快實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)Layout質(zhì)量管控的快篩分析。

3、何執(zhí)行ReturnPath分析

現(xiàn)在Allegro中導(dǎo)入了Sigrity專業(yè)的模擬分析技術(shù)，將IDA(In-DesignAnalysis，設(shè)計(jì)同步分析)帶入PCB設(shè)計(jì)流程之中，幫助PCB工程師在設(shè)計(jì)中同步進(jìn)行分析，預(yù)先找出常見的回流路徑不連續(xù)問題，實(shí)時(shí)解決，快速確保信號(hào)回流路徑的質(zhì)量，使設(shè)計(jì)效率提升，不良機(jī)率減少。同樣重要的是ReturnPath檢查也是不需要Models并且只需簡(jiǎn)單的流程，就可輕易實(shí)現(xiàn)!