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地平面和电源平面是 PCB 设计中的大面积导电区域，具有多种用途。地平面为电气信号提供公共参考点，并作为电流的返回路径。电源平面将电源电压输送到板上的各个组件，以帮助在整个 PCB 上均匀分配电源，从而减少电压降并确保稳定的供电。虽然电源平面提供了许多好处，但也带来了对电流返回路径的仔细规划的需要，以防止信号退化，特别是在混合信号设计中。

电源和地平面的重要性

地平面通过为返回电流提供低阻抗路径来帮助减少噪声和 EMI，从而提高并保持信号完整性。与电源平面结合使用时，它们还能增强电源传输，并有助于防止在电源需求出现短时突发性峰值的应用中出现的掉电问题。额外的固体导电材料还有助于散发 PCB 上元件产生的热量，从而在不增加额外成本的情况下实现更好的热管理。对于设计人员来说，GND 和电源平面通过消除手动布线 GND 和电源迹线的需要，提供了简化的布线和高密度设计。

相反，参考平面和电源平面也可能由于涉及的物理学原理而带来一些挑战。PCB 中任何两个相邻的层由于导电元件的邻近性和它们之间的介电材料而自然形成电容器。这个过程包括信号迹线层和电源平面，如果不在 PCB 设计中考虑到这一点，就可能导致问题。

多层 PCB 返回电流路径

在纯数字设计中，信号上升时间在几纳秒量级时，回流电流路径倾向于紧密跟随传输信号的走线。最近的地平面中的感应电流呈窄高斯分布形状展开。然而，在模拟设计中，回流电流路径可能不直接跟随走线。相反，回流电流可能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，展开区域往往越低模拟信号的开关频率，区域就越大。

当走线直接布线在实心参考平面上时，回流电流通常有一条直接的低阻抗路径到达该平面。但在其他情况下，回流电流路径会贯穿整个层叠结构，直到到达合适的参考平面。如果不加以考虑和仔细规划，这些回流电流路径可能会变得非常长，最终类似于在没有合适参考平面的信号层之间进行间接布线。这种感应电流会导致混合信号 PCB 设计中模拟和数字部分之间的串扰和信号退化。

减轻回流电流路径问题

一种解决这个问题的方法是将所有产生回流电流的元件放置在更靠近 GND 平面的那一侧，以优化回流路径。或者，在电源和 GND 平面之间增加去耦电容器可以通过为回流电流提供到 GND 的低阻抗路径来减轻 EMI 问题。

层堆叠优化可能适合设计人员以避免引入新的或依赖现有的去耦电容。例如，在一个四层 PCB 设计中，顶层可以用于信号和电源线，而底层可以只包含信号迹线。两层内层可用于参考平面。然后，两个外层信号层都有一条直接的低阻抗路径到其中一个内层 GND 平面。更复杂的设计可能需要引入超过四层，以便信号迹线可以直接布置在合适的参考平面上。

该图说明了在四层 PCB 设计中排列层的三种可能方式。

可以使用两层底层作为 GND 和电源平面，顶层用于信号，并在信号平面正下方添加一个额外的 GND 平面，从而实现非常低的阻抗 PDN。这种方法可以受益于高电流消耗或快速切换元件的设计。

地平面设计在混合信号设计中

在混合信号 PCB 设计中，接地平面设计的最终目标是将混合信号区域尽可能隔离和分离，以防止干扰。如果无法实现这一点，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 平面物理分离成多个较小的部分，以防止平面之间未定义的返回电流路径引起的问题。只有当需要物理隔离的 GND 信号出于监管或物理原因时，才应进行完全分离，例如在安全关键应用、隔离电源转换器或高功率应用中。

各自区域正上方的返回电流路径都很明确。然而，在隔离参考平面之间的间隙中的确切行为难以估计。

在混合信号 A/D 电路中，多个地平面可以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连接器将 GND 网在单一点连接起来。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。

设计分离地平面的注意事项

如果需要或希望物理分离 AGND 和 DGND 区域，设计人员必须将数字信号仅布线在合适的数字参考平面上。类似地，模拟迹线必须位于模拟 GND 平面上，以防止两个区域之间的 EMI 问题和信号串扰。

如果需要网连接器，它应该放置在这样位置，不允许任何一种信号的返回电流流向不同的参考平面。当同时处理低频模拟和数字信号时，完全分离通常更容易管理。在具有高频模拟子电路的混合设计中，网连接器可能更合适。

在隔离式电源转换器的情况下，初级和次级 GND 网应该通过不同的方式连接——例如，使用一个非常高安全电容，允许输出侧的噪声通过电容返回输入侧，同时保持隔离屏障。

缝合孔的作用及其对走线的影响

过孔缝合是一种技术，它利用过孔将不同层的 PCB 上的铜平面连接在一起。该方法有助于保持短、低阻抗的电流返回路径，并创建低电磁噪声的区域，这在射频设计中是所期望的。

然而，考虑到过孔对附近走线和平面的潜在影响至关重要。过孔可能会引入阻抗不连续性、反射和串扰，尤其是在高频时。此外，过孔会在实心参考平面上创建间隙，从而干扰附近走线的电流返回路径。因此，需要仔细放置和布线以减轻这些影响，并确保 PCB 电源分配网络的最佳性能。

底线

电源平面有助于减少噪声和 EMI 并保持信号完整性。然而，由于电子物理学中的物理原理，它们带来了额外的挑战。设计人员必须仔细考虑和规划返回电流路径及其对附近组件和导电层的影响，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。最常见的方法之一是层堆叠优化，即设计者在多层设计中改变层的排列，将信号层放置在参考平面上方。这样做可以确保到地线的短、低阻抗返回电流路径。精心放置的去耦电容器也可以产生类似的效果。

在混合信号设计中，克服信号退化的一个方法是尽可能地将模拟和数字组件以及低频组件分得开。通常建议使用单独的接地平面，如果需要物理隔离或出于安全法规的要求。相反，设计者应该采用其他方法，如单个网络连接或安全电容器。过孔围栏也可以帮助在混合信号 PCB 设计中创建低噪声区域。

关键词： 电源 开关电源 电路设计