“細(xì)探 PCB 電路板設(shè)計(jì)中的流行趨勢。”

二十世紀(jì)八十年代初，一臺8位家用計(jì)算機(jī)中的典型 PCB 電路板大致長這樣： Amstrad CPC 464主板細(xì)節(jié)圖

到二十一世紀(jì)前十年，同類技術(shù)已演變成這樣的形態(tài)：

Arduino Uno R3產(chǎn)品宣傳圖特寫

除了變得更小之外，最顯著的變化是鋪銅的應(yīng)用——即通過計(jì)算機(jī)生成的區(qū)域填充PCB上走線之間的空白區(qū)域。

這種設(shè)計(jì)為何興起？一個(gè)籠統(tǒng)的答案是：在高速電子領(lǐng)域，該做法有助于改善信號完整性。這使得該方法在智能手機(jī)或臺式機(jī)等尖端應(yīng)用中不可或缺。但顯然，我們討論的并非這類高端場景。

另一變化是 1980 年代美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）開始將 47 CFR Part 15 規(guī)則（射頻干擾標(biāo)準(zhǔn)）應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)設(shè)備。于是出現(xiàn)了所謂的"認(rèn)證產(chǎn)業(yè)"：需將原型送至認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，支付高昂的射頻測試費(fèi)用，若未通過還需承擔(dān)額外成本與延誤。鋪銅能有效降低射頻輻射，因此常被預(yù)先采用以防萬一。

最后但同樣重要的是行業(yè)審美變遷：業(yè)余愛好者相互影響追隨產(chǎn)業(yè)潮流。任何非常規(guī)或過時(shí)的PCB美學(xué)設(shè)計(jì)常遭非議，即便批評者未必能明確指出設(shè)計(jì)缺陷。

先別急，讓我們先直面最核心的問題：鋪銅究竟如何發(fā)揮作用？

先插個(gè)概念：共模扼流圈

電子電路中，電子流動雖受導(dǎo)體約束，但能量傳遞并非通過粒子碰撞實(shí)現(xiàn)，而是通過電磁場完成。電磁場源自于載流子，卻自由延伸至周圍空間。

鐵氧體等材料會通過價(jià)電子重排響應(yīng)外部磁場，從而吸收周圍場能量。如果這個(gè)磁場是由附近的導(dǎo)體產(chǎn)生的，那么在鐵氧體重新排列電子的過程中，導(dǎo)體中的電流流動會暫時(shí)受到阻礙。這是因?yàn)殍F氧體在吸收磁場能量時(shí)，會對導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生反作用力。隨著鐵氧體吸收越來越多的能量，它最終會達(dá)到飽和狀態(tài)，即它不能再吸收更多的磁場能量了。但即使在這種情況下，如果導(dǎo)體中的電流發(fā)生變化，鐵氧體仍然會阻礙這些變化，直到達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。

這是標(biāo)準(zhǔn)的電感原理，它有一個(gè)巧妙的變體：共模扼流圈。其基礎(chǔ)形態(tài)可見于某些計(jì)算機(jī)電纜：管狀鐵氧體元件包裹兩條同向?qū)Ь€。更緊湊的版本采用環(huán)形磁芯，每根導(dǎo)體繞制數(shù)匝：

共模扼流圈示意圖

共模電流情況：當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)線中有共模電流以相同方向流動時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)一致的磁場作用于鐵氧體（ferrite）。這使得該裝置表現(xiàn)得像一個(gè)普通的電感器，直流電（DC）可以順利通過，但對于高頻交流電（AC）成分，其會根據(jù)頻率變化的速率（即與交流頻率成正比）來減弱它們。這是因?yàn)殡姼袑涣麟姇a(chǎn)生感抗，頻率越高，感抗越大，從而阻礙交流電的通過。 差模電流情況：相反地，如果存在互補(bǔ)的電流以相反方向流動，比如差分信號對或者連接到電源的“+”和“-”導(dǎo)線，那么產(chǎn)生的磁場會相互抵消，總和為零。這就沒有磁化現(xiàn)象發(fā)生，鐵氧體沒有吸收能量，所以裝置的感抗（衡量其對交流信號衰減程度的一個(gè)類似電阻的指標(biāo)）保持在較低水平。 共模扼流圈可以抑制長電纜上的射頻干擾：射頻干擾通常會在所有捆綁的導(dǎo)體中產(chǎn)生相同的感應(yīng)電動勢，導(dǎo)致產(chǎn)生的電流是共模的。而共模扼流圈可以將這些共模電流與我們關(guān)心的差分信號區(qū)分開來，從而起到抑制長電纜上射頻干擾的作用。

回到鋪銅

電感現(xiàn)象不僅限于鐵氧體磁芯，PCB走線同樣存在（雖程度輕微）。為了更直觀地讓大家理解PCB走線電感為什么重要，舉一個(gè)具體的電路板例子。這個(gè)電路板的結(jié)構(gòu)是：在頂層有一個(gè)單獨(dú)的紅色走線，在底層有一個(gè)藍(lán)色的鋪銅平面，還有兩個(gè)過孔（vias）來完成整個(gè)電路的連接。

簡易PCB結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)在 PCB 的引腳上施加直流（DC）信號時(shí)，頂層的“正向”電流被限制在走線內(nèi)。而底層的返回電流理論上可以自由地?cái)U(kuò)散，但實(shí)際上它會選擇電阻最小的路徑，也就是兩個(gè)過孔（vias）之間的最短直線路徑。這是因?yàn)殡娏骺偸莾A向于沿著阻抗最小的路徑流動，以最小化能量損耗。

隨著正弦波頻率 f 的升高，原始電流路徑中的磁化相關(guān)準(zhǔn)電阻效應(yīng)也會增加。這是因?yàn)镻CB走線具有電感特性，電感值 L 通常在幾十到幾百納亨利之間，具體取決于走線的長度和其他因素。對于給定的頻率f和電感L，感抗的公式為：

即 20MHz 正弦頻率下，感抗可達(dá)約50Ω。

所幸存在補(bǔ)償機(jī)制：若底層回流路徑緊貼頂層走線投影路徑，則形成類似共模扼流圈狀態(tài)——磁場相互抵消，阻抗保持較低水平。

這就會引出兩個(gè)實(shí)際問題：

其一，如果正向路徑和最佳可用的返回路徑相距較遠(yuǎn)，那么就會產(chǎn)生較高的阻抗。在這種情況下，高速數(shù)據(jù)線上會有更多的能量以電磁波的形式輻射到周圍空間。這不僅會導(dǎo)致信號傳輸?shù)膿p耗，還可能對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

其二，如果附近存在一些不相關(guān)的“受害”走線，并且這些走線提供了一條返回地的路徑（即使是通過集成電路的本體），那么電流可能會選擇這條路徑，而不是我們精心設(shè)計(jì)的電流路徑。這可能會導(dǎo)致信號傳輸?shù)腻e(cuò)誤和不穩(wěn)定，因?yàn)殡娏鞯穆窂讲辉偈俏覀冾A(yù)期的那樣。

是否需要整板鋪銅？

未必。鋪銅并非唯一解決方案，但相比手動為每個(gè)數(shù)據(jù)總線布設(shè)電流回流通道，這種方法能節(jié)省時(shí)間。

無論采用何種方法，都需審慎設(shè)計(jì)。比如鋪銅不連續(xù)導(dǎo)致的問題：

不連續(xù)鋪銅導(dǎo)致劣質(zhì)回流路徑

銅鋪也容易讓人忽視電源布線的問題。例如，下圖芯片右上角的 Vdd 供電設(shè)計(jì)就不太好。 正極供電路徑很長 為了簡化設(shè)計(jì)，一些愛好者會選擇使用四層板，將中間兩層專用于GND與Vdd。此方案有效但成本倍增。 另一個(gè)問題在于：電源平面（或者鋪銅）可以降低 PCB 的電感，但會增加整個(gè) PCB 的旁路電容。對數(shù)字信號而言，增加的旁路電容通常是可以接受的，因?yàn)樗兄诜€(wěn)定信號和減少噪聲。然而，在模擬電子電路中，特別是在運(yùn)算放大器（op-amp）的反饋回路中，每增加一點(diǎn)旁路電容（如幾皮法拉）都可能帶來不良影響。 實(shí)際應(yīng)用中，對多數(shù)使用ESP32、樹莓派或8位AVR單片機(jī)的項(xiàng)目而言，無需過度糾結(jié)：鋪銅應(yīng)以便利設(shè)計(jì)為準(zhǔn)則，而非盲目追隨網(wǎng)絡(luò)建議。真正挑戰(zhàn)始于處理MIPI-DSI、USB3.0等高速接口時(shí)。

原文轉(zhuǎn)載自： https://lcamtuf.substack.com/p/pcbs-ground-planes-and-you 已做翻譯及修訂

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審核編輯 黃宇