PCB设计过程中进行回流路径分析（高速信号回流路径）.docx

ReturnPath回流路径高速设计已成为愈来愈多PCB设计人员关切的重点。在进行高速PCB设计时，每位工程师都应重视其信号完整性，并且需时常考虑其信号电路的回流路径,因为不良的回流路径容易导致噪声耦合等信号完整性问题。如果电流必须经过很长的路径才能返回，信号路径的电感回路会增加。当系统中的电感回路越大，这些信号愈有可能吸收来自系统中任何其他Net的噪声。一般回流路径不连续问题常是由于缺少接地过孔Via、接地层中的间隙、缺少去耦电容，或是使用错误Net所引起的。而当你的PCB设计愈趋复杂，要快速找出这些问题难度也愈高。本文将通过设计实例详解如何使用Allegro（三）PCBDesigner中IDA（In-DesignAnalysis,设计同步分析）的RetUmPath分析功能，在PCB设计过程中进行回流路径分析，帮助工程师快速找出那些高速信号的回流路径是否适当，以确保1.ayout的质量并且减少产品量产后因信号不稳而需要召回的重大损失，实现设计一次性成功。本文重点回流路径释义ReturnPath分析重要性ReturnPath分析实例详解ReturnPath分析结果解析1何谓回流路径（RetUrnPath）电气产品的运作需要有其信号的回路才能运行，就像下图（一）中电池的负极也要接那条蓝线过去电灯才会亮。早期，我们可以看到电报系统是把“大地”当作信号回路的地平面，可以少布另一条地线以减少昂贵成本。或若在现代生活中类似情况就是当车上要加装灯泡时，我们可以把“车壳”视作信号回路的地，将灯泡负极直接接至车壳就会亮，就可以省掉多布一条线的麻烦，且也不太需要考虑到回流路径问题。不过若当要接上的是行车系统、CAN（车载网络系统）甚或是ADAS（先进驾驶辅助系统）上的各种感应或处理器，就不是直接接上、省掉导线这么单纯了，因较易涉及高频/高速传输，会必须要注意其回流路径的完整性。同样的！对PCB设计上来说，如果是低频信号其回流路径会随最低阻抗而返回，但随着频率拉高，电流需要以封闭回路回到源头，因而会更考虑最低电感的回流路径，并且通常会对应在其布线的上下层返回路径如下左图（二）示意，以避免如下右图（二）因内层切割而造成回流路径迂回的问题，所以高速信号的回流路径考虑就更显重要了。图2Signal1.ayerGroundPlaneGroundPlane2、什么需要RetUrnPath分析？如上所述，考虑高速信号的回流路径至关重要，因稍一不慎就会大大减弱电路功能。一般而言，因为标准PCB的DRC检查只会检查鼠线有没接完和安全间距够不够这两种状况，所以像RetUrnPath这样的分析就较不易实现，往往需有经验的老手开启相关的图层跟着看高速信号走线的相邻层来确保回流路径，管控1.ayout质量。亦或对1.ayout订立一些走线旁该怎么加STItchingVia的规范，STItchingVia的示意如下图（三），至于差动信号打Via后旁边要拱几个STItchingVia,那又是另外的故事了！-1.ayerl«Ref2-Ref3*-1.ayer4甚或是最后不得已需添加缝补电容以填补那些跨不过壕沟（Moat）,而导致成本增加以完善回流路径，如下图（四）Tl规范中的例子。班所以如果我们有个直观的辅助分析工具会依照信号的几何结构分析回流路径，并在不需Models的状况下，计算出其电号的比值RPQF（ReturnPathQualityFactor,回流路径质量系数）如下图五所示。当RPQF值越趋近于1,则表示信号布线与与回流路径是越贴近的，越高则代表回流路径越曲折绕越远的路径。RPQF=1.lOQR1.100Pref而且在执行分析完毕后可直接列出相关信号的RPQF值如下图六所示，让我们能快速识别各个信号的严重性，修正不理想的部分。MtVXrtetHwmDoRAJDIMMl，7OoR4.0IMM156OOfUaDIMMI174DOfyaDlMMlJ7300U.MM1IMOOR4.(MMM1J7OD(XUPMM1.176OOUQMMl.177DOM.OMM1WDOlUjMMMIlxOoR4.6MM1200DC*UDMM1.199(XM4JXMMIUn0CM4JMMMIIMU2.Y11U2.U2OUZgoU：67UY21U：EU2A1StartSignalWnPFJSOOJ48.0G>Rg68产1*DQ20J>SUrtSrUMo<U2M¾rtS三ior>3S9SUrtSrnUUt6U2W16、，Ew，SU?.½SUrtS4nM>0rU2AA19SUdSmukbooU2.VBSUdSmUflbonU214ReWmPathVbf图6注：IDA（In-DesignAnalysis,设计同步分析）中另外的Impedance阻抗分析和COUPIing耦合干扰分析，也是一样可以在不需ModelS的情况下，照着检查流程执行就可以很快实现各项1.ayout质量管控的快筛分析。3、何执行ReturnPath分析现在Allegro中导入了Sigrity专业的模拟分析技术，将IDA（In-DesignAnalysis,设计同步分析）带入PCB设计流程之中，帮助PCB工程师在设计中同步进行分析，预先找出常见的回流路径不连续问题，实时解决，快速确保信号回流路径的质量，使设计效率提升，不良机率减少。同样重要的是ReturnPath检查也是不需要Models并且只需简单的流程，就可轻易实现！实际上，基本电路理论告诉我们，信号是由电流传播的，明确的说，是电子的运动，电子流的特性之一就是电子从不在任何地方停留，无论电流流到哪里，必然要回来，因此电流总是在环路中流动，电路中任意的信号都以一个闭合回路的形式存在。Ol回流的基本概念数字电路的原理图中，数字信号的传播是从一个逻辑门向另一个逻辑门，信号通过导线从输出端送到接收端，看起来似乎是单向流动的，许多数字工程师因此认为回路通路是不相关的，毕竟，驱动器和接收器都指定为电压模式器件，为什么还要考虑电流呢？实际上，基本电路理论告诉我们，信号是由电流传播的，明确的说，是电子的运动，电子流的特性之一就是电子从不在任何地方停留，无论电流流到哪里，必然要回来，因此电流总是在环路中流动，电路中任意的信号都以一个闭合回路的形式存在。对于高频信号传输，实际上是对传输线与直流层之间包夹的介质电容充电的过程。02回流的影响数字电路通常借助于地和电源平面来完成回流。高频信号和低频信号的回流通路是不相同的，低频信号回流选择阻抗最低路径，高频信号回流选择感抗最低的路径。当电流从信号的驱动器出发，流经信号线，注入信号的接收端，总有一个与之方向相反的返回电流：从负载的地引脚出发，经过敷铜平面，流向信号源，与流经信号线上的电流构成闭合回路。这种流经敷铜平面的电流所引起的噪声频率与信号频率相当，信号频率越高，噪声频率越高。逻辑门不是对绝对的输入信号响应，而是对输入信号和参考引脚间的差异进行响应。单点终结的电路对引入信号和其逻辑地参考平面的差异做出反应，因此地参考平面上的扰动和信号路径上的干扰是同样重要的。逻辑门对输入引脚和指定的参考引脚进行响应，我们也不清楚到底哪个是所指定的参考引脚（对于TT1.,通常是负电源，对于EC1.通常是正电源，但是并不是全都如此），就这个性质而言，差分信号的抗干扰能力就能对地弹噪声和电源平面滑动具有良好的效果。当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时（如CPU的数据总线、地址总线等），这就引起瞬态负载电流从电源流入电路或由电路流入地线，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声（SSN）,在地线上还会出现地平面反弹噪声（简称地弹）。而当印制板上的电源线和接地线的环绕区域越大时，它们的辐射能量也就越大，因此，我们对数字芯片的切换状态进行分析，采取措施控制回流方式，达到减小环绕区域，辐射程度最小的目的。ICl为信号输出端，IC2为信号输入端（为简化PCB模型，假定接收端内含下接电阻），第三层为地层。ICl和IC2的地均来自于第三层地层面。ToP层右上角为一块电源平面，接到电源正极。Cl和C2分别为IC1、IC2的退耦电容。图上所示的芯片的电源和地脚均为发、收信号端的供电电源和地。在低频时，如果Sl端输出高电平，整个电流回路是电源经导线接到VCC电源平面，然后经橙色路径进入ICl,然后从Sl端出来，经第二层的导线经RI端进入IC2,然后进入GND层，经红色路径回到电源负极。在高频时，PCB所呈现的分布特性会对信号产生很大影响。我们常说的地回流就是高频信号中经常要遇到的一个问题。当Sl到Rl的信号线中有增大的电流时，外部的磁场变化很快，会使附近的导体感应出一个反向的电流，如果第三层的地平面是完整的地平面的话，那么会在地平面上产生一个蓝色虚线标示的电流，如果TOP层有一个完整的电源平面的话，也会在TOP层有一个沿蓝色虚线的回流。此时信号回路有最小的电流回路，向外辐射的能量最小，耦合外部信号的能力也最小。（高频时的趋肤效应也是向外辐射能量最小，原理是一样的）由于高频信号电平和电流变化都很快，但是变化周期短，需要的能量并不是很大，所以芯片是和离芯片最近的退耦电容取电的。当Cl足够大，而且反应又足够快（有很低的ESR值，通常用瓷片电容。瓷片电容的ESR远低于锂电容。）,位于顶层的橙色路径和位于GND层的红色路径可以看成是不存在的（存在一个和整板供电对应的电流，但不是与图示信号对应的电流）。因此，按图中构造的环境，电流的整个通路是：由Cl的正极TICl的VCCS11.2信号线TRlTlC2的GND过孔TGND层的黄色路径一过孔一电容负极。可以看到，电流的垂直方向有一个棕色的等效电流，中间会感应出磁场，同时，这个环面也能很容易的耦合到外来的干扰。如果和图中信号为一条时钟信号，并行有一组8bit的数据线，由同一芯片的同一电源供电，电流回流途径是相同的。如果数据线电平同时同向翻转的话，会使时钟上感应一个很大的反向电流，如果时钟线没有良好的匹配的话，这个串扰足以对时钟信号产生致命影响。这种串扰的强度不是和干扰源的高低电平的绝对值成正比，而是和干扰源的电流变化速率成正比，对于一个纯阻性的负载来说，串扰电流正比于dIdt=dV（T-10%-90%*R）。式中的dldt（电流变化速率）、dV（干扰源的摆幅）和R（干扰源负载渚K是指干扰源的参数（如果是容性负载的话，dl/dt是与Tf0%-90%的平方成反比的。）o从式中可以看出，低频的信号未必比高速信号的串扰小。也就是我们说的：IKHz的信号未必是低速信号，要综合考虑沿的情况。对于沿很陡的信号，是包含很多谐波成分的，在各倍频点都有很大的振幅。因此，在选器件的时候也要注意一下，不要一味选开关速度快的芯片，不仅成本高，还会增加串扰以及EMC问题。任何相邻的电源层或其它的平面，只要在信号两端有合适的电容提供一个到GND的低电抗通路，那么这个平面就可以作为这个信号的回流平面。在平常的应用中，收发对应的芯片IO电源往往是一致的，而且各自的电源与地之间一般都有0.01-0.1uF的退耦电容，而这些电容也恰恰在信号的两端，所以该电源平面的回流效果是仅次于地平面的。而借用其他的电源平面做回流的话，往往不会在信号两端有到地的低电抗通路。这样，在相邻平面感应出的电流就会寻找最近的电容回到地。如果这个“最近的电容”离始端或终端很远的话，这个回流也要经过“长途跋涉”才能形成一个完整的回流通路，而这个通路也是相邻信号的回流通路，这个相同的回流通路和共地干扰的效果是一样的，等效为信号之间的串扰。对于一些无法避免的跨电源分割的情况，可以在跨分割的地方跨接电容或RC串联构成的高通滤波器（如10