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接地层和电源层是 PCB 设计中的大导电区域，具有多种用途。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上均匀分配电源，从而减少压降并确保稳定的供应。虽然电源平面具有许多优点，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。

电源层和接地层的意义

接地层通过为返回电流提供低阻抗路径来帮助降低噪声和 EMI，从而改善和保持信号完整性。与电源层相结合，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，从而有助于改善热管理，而无需额外成本。对于设计人员来说，GND 和电源层无需手动布线 GND 和电源走线，从而提供简化的布线和更高密度的设计。

相反，由于电子学涉及的物理特性，参考层和电源层也可能带来一些挑战。由于导电元件和它们之间的介电材料的接近，PCB 中的任何两个相邻层自然会形成电容器。此过程包括信号走线层和电源层，如果在 PCB 设计中未考虑这些层，可能会导致问题。

多层PCB返回电流路径

在信号上升时间低（约几纳秒）的纯数字设计中，返回电流路径往往会跟随紧密传输信号的走线。最近GND平面中的感应电流以类似于窄高斯分布的形状展开。然而，模拟设计中的返回电流路径可能不会直接跟随走线。相反，返回电流可以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，扩散面积往往越大。

当走线直接布线在实体参考平面上方时，返回电流通常具有通往该平面的直接低阻抗路径。但在其他情况下，返回电流路径会继续贯穿整个层叠层，直到到达合适的参考平面。如果不考虑和仔细规划，这些返回电流路径可能会变得很长，最终类似于信号层之间的间接布线，中间没有合适的参考平面。这种感应电流会导致混合信号PCB设计的模拟和数字部分之间的串扰和信号衰减。

缓解返回电流路径问题

解决这个问题的一种方法是将所有感应返回电流的元件放置在更靠近GND平面的一侧，以优化返回路径。或者，在电源层和GND层之间增加去耦电容，可以通过为GND的返回电流提供低阻抗路径来缓解EMI问题。

层叠层优化可能适合设计人员避免引入新的去耦电容器或依赖现有的去耦电容器。例如，在四层PCB设计中，顶层可用于信号和电源线，而底层可以专门包含信号走线。两个内层可用于参考平面。然后，两个外部信号层都有一条直接的低阻抗路径，通向内部GND平面之一。更复杂的设计可能需要引入四层以上，以便信号走线始终可以直接布线到合适的参考平面上方。

该图说明了在四层PCB设计中排列层的三种可能方法。

使用两个底层作为 GND 和电源层、顶层用于信号以及信号平面正下方的附加 GND 平面，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组件的设计。

混合信号设计中的接地层设计

在混合信号PCB设计中，接地层设计的最终目标是尽可能隔离和分离混合信号区域，以防止干扰。如果这不可行，设计人员应确保数字电路不会在PCB的模拟部分感应出电流，因为模拟电路通常更容易产生噪声。

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平面，以防止平面之间未定义的返回电流路径引起的问题。相反，只有在出于监管或物理原因需要物理隔离的GND信号时，才应进行完全分离，例如在安全关键型应用、隔离式电源转换器或高功率应用中。

各个区域正上方的返回电流路径已明确定义。然而，很难估计隔离参考平面之间间隙的确切行为。

在混合信号 A/D 电路中，多个接地层可以为不同的信号类别提供不同的参考。然而，在这些情况下，设计人员通常希望使用网络连接在单个点上连接 GND 网络。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。

设计分离接地层的注意事项

如果需要或需要物理上分离的 AGND 和 DGND 区域，设计人员必须仅在合适的数字参考平面上方布线数字信号。同样，模拟走线必须位于模拟GND平面上方，以防止两个区域之间的EMI问题和信号串扰。

如果需要网络连接，则应放置它，使其不允许来自一种信号的任何返回电流进入不同的参考平面。当同时处理低频模拟和数字信号时，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，网络连接可能更合适。

对于隔离式电源转换器，初级和次级GND网络应通过不同的方式连接，例如，使用非常高值的安全电容器，允许来自输出侧的噪声通过电容器返回到输入侧，同时保持隔离屏障。

缝合过孔的作用及其对走线的影响

过孔缝合是一种利用过孔将 PCB 不同层上的铜平面连接在一起的技术。该方法可以帮助保持较短的低阻抗电流返回路径，并创建具有低电磁噪声的区域，这在射频设计中是需要的。

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，过孔会在实体参考平面中产生间隙，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最佳的 PCB 配电网络性能。

底线

电源平面有助于降低噪声和 EMI 并保持信号完整性。然而，由于电子学涉及物理原理，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问题。最常见的方法之一是层叠层优化，其中设计人员更改多层设计中的层排列，以将信号层移动到参考平面上方。这样做可以确保向GND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，克服信号衰减的一种方法是尽可能分散频率非常低的模拟和数字组件。通常仅在需要或需要物理隔离时（例如，由于安全法规）才建议使用单独的接地层。相反，设计人员应采用其他方法，例如单个网络扎带或安全电容器。过孔围栏还可以帮助在混合信号PCB设计中创建低噪声区域。

关键词： 电源层 接地层 PCB设计