优化PCB布局：线条变更层次的实用技巧

理想情况下，传输线（以及高速信号）应在PCB中的同一层面布线。而且，该层面的完整参考平面还要延伸到远离线条的各个方向（包括线条两端）。但实际应用中，并不总是这样理想。有时除了在沿着线条上的某个位置上变更层次没有其他选择。

在频率高于10MHz以上，与线条相关联的平面中的返回电流，由于趋肤效应（也称集肤效应）被迫在参考面或线条表面中流动。当线条变更层次时，它们的表面RF电流则无法跟随线条的走线流经平面层的厚度。初听起来有点奇怪，电流居然不能在一个金属平板的上下两个面间的厚度中流通。但在高频情况下，这却是千真万确的。（我们使用相同的效应，使用金属薄板来完成对RF的屏蔽。因此，我们可以把它看作好像是一个平面的一个面把出自另一个面的返回电流屏蔽起来了）。但这种自屏蔽也为传输线技术的应用造成了一些困难（它也为任何携载高频信号或噪声的线条造成了类似的困难）。

在线条变更层次的位置处，它的返回电流不仅要沿着面对它（发送电流）的平面表面上流通，而且会迫使返回电流围绕通孔的净空间的边缘流通。（请参阅图2-5-20）。结果是既造成了电感的增加，又改变了在该位置上的特性阻抗。

图2-5-20 当电流从参考面的一个面变更层次到另一面流动的例子

（一个PCB的横截面图）

当一个线条布线于一个平面的一个表面上时，而该面又是与处于相同电压（通常为0V）的另外一个平面相对时，假如两个层面间的电容又不足以形成良好的连接时，应该在该线条的每一边各增设一个通孔，以将两个平面连接在一起。这两个通孔应该和携载信号的通孔一样，垂直于线条方向，并位于线条通孔的2mm以内（在无法做到这一点的场合，则要确保至少有一个尽可能靠近线条通孔的平面连接孔）。

与返回电流通路有关的电感，正如它在通孔中流通一样，将会影响到局部的Z₀值（请参阅有关讨论通孔电感问题的通孔电感和通孔电感Ⅱ的两篇文章）。并且随着信号（或噪声）的上升/下降时间缩短到短于1ns或者频率高于300MHz时，该电感所形成的影响将会变得越来越重要。

但是，在线条从PCB一个层面上的平面变更到另一层次的，另一个具有不同电压的参考面上走线时，重要的是要在非常靠近线条变更层次的地方（比如小于3mm）的两个平面间接入一个电容器。在线条的两边各接入一个电容效果会更好。这样返回电流将会在接入的电容器中流通。但是，要对电容器的值、类型和它的自谐振频率进行仔细选择，以适配于需要很好控制的频谱的那一范围。(www.xing528.com)

图2-5-21 在变更层次后，线条面对不同参考电压平面时电流在PCB中流动的例子

对于那些携载信号的上升/下降时间为300ps或更短（或频率为2GHz或更高的正弦波）的传输线来说，虽然，要使它们的携载信号和返回电流通路中包括有通孔在内的任何部分都保持在所期望的Z₀值上是有困难的。但是，在返回通路中使用电容的地方要保持正确的Z₀几乎是不可能的。对于上述的这些信号，重要的是要使它们的布线中根本就不存在层次的变更，或者仅允许在相同平面的上下两个面间的改变。

当在接近于一个参考面的分隔部位或边缘处变更层次时，层次变更的位置至少要离开最近的平面边缘5mm远。我们推荐采用更远一些的距离。

在一个PCB中存在有多于一个平面的情况下，在平面之间会存在噪声电压。通孔具有对平面间电压噪声很强的耦合能力。因此，当信号穿过通孔时，倾向于在平面间形成附加的噪声。平面间的噪声也倾向于通过通孔把噪声耦合进入信号。信号和噪声的频率越高，耦合就会越强。所以，对于具有快速上升/下降时间或高频率的信号和噪声这的确是一个较棘手的大问题。这也就是为什么要对所有的关键线条归类于相同平面的任何一面上，而不在沿着它们的布线长度上变更层次。

对那些布线于PCB内部层面的线条来说，不可避免地会存在着层次变更的问题（或者是一个接点，或者是线条中的支线）。因为线条迟早要在某个点上与一个安装在外部层面上的某个器件相连接。对于比如边沿短于150ps的信号来说，如何处理好由于层次变更或短截线所引起的失配的确是一个令设计工程师头痛的问题。这也就是为什么高数据率PCB互连接现已放弃了采用传统的并行多点总线技术（即PCI）。而代替使用的是点到点间的LVDS串行数据通信（即快速PCI）。

这些设计上的限制或约束可以导致平面层次数目的增加。但由于信号完整性的要求，又往往使得设计工程师除了增加层次外没有别的选择余地。当要求在PCB层次上获得恰当的EMC性能的场合，通常都会要求PCB叠层数目上的增加。因此也就导致了裸板成本的增加。恐怕对设计工程师的最大诱惑也许是希望在获得最佳性能的同时，又能使使用能够达到正常运行要求的最低数目的叠层。但从经济的角度出发，这样的愿望往往是错误的。因为PCB叠层数目的增加恰恰就是成本最低，同时又是解决EMC问题的最快的办法。

正如所要求的那样，当变更层次时，为了保持线条每个线段的Z₀值，不要忘记改变线条的宽度。当沿着同一个线条上，既使用带状线，又带有微带线线段时，则特别需要对这一点给予关注。