接地層和電源層是 PCB 設計中的大導電區域，具有多種用途。接地層為電信號提供公共參考點，并作為電流的返回路徑。電源層將電源電壓傳輸到電路板上的各個組件，以幫助在整個PCB上均勻分配電源，從而減少壓降并確保穩定的供應。雖然電源平面具有許多優點，但它們也需要仔細規劃電流返回路徑以防止信號衰減，尤其是在混合信號設計中。

電源層和接地層的意義

接地層通過為返回電流提供低阻抗路徑來幫助降低噪聲和 EMI，從而改善和保持信號完整性。與電源層相結合，它們還可以增強功率傳輸，并有助于防止在功率需求出現短暫、突然峰值的應用中出現掉電問題。添加的固體導電材料還有助于分散 PCB 上組件產生的熱量，從而有助于改善熱管理，而無需額外成本。對于設計人員來說，GND 和電源層無需手動布線 GND 和電源走線，從而提供簡化的布線和更高密度的設計。

相反，由于電子學涉及的物理特性，參考層和電源層也可能帶來一些挑戰。由于導電元件和它們之間的介電材料的接近，PCB 中的任何兩個相鄰層自然會形成電容器。此過程包括信號走線層和電源層，如果在 PCB 設計中未考慮這些層，可能會導致問題。

多層PCB返回電流路徑

在信號上升時間低（約幾納秒）的純數字設計中，返回電流路徑往往會跟隨緊密傳輸信號的走線。最近GND平面中的感應電流以類似于窄高斯分布的形狀展開。然而，模擬設計中的返回電流路徑可能不會直接跟隨走線。相反，返回電流可以跨越傳輸模擬信號的走線周圍相對較寬的區域。在這些情況下，模擬信號的開關頻率越低，擴散面積往往越大。

當走線直接布線在實體參考平面上方時，返回電流通常具有通往該平面的直接低阻抗路徑。但在其他情況下，返回電流路徑會繼續貫穿整個層疊層，直到到達合適的參考平面。如果不考慮和仔細規劃，這些返回電流路徑可能會變得很長，最終類似于信號層之間的間接布線，中間沒有合適的參考平面。這種感應電流會導致混合信號PCB設計的模擬和數字部分之間的串擾和信號衰減。

緩解返回電流路徑問題

解決這個問題的一種方法是將所有感應返回電流的元件放置在更靠近GND平面的一側，以優化返回路徑。或者，在電源層和GND層之間增加去耦電容，可以通過為GND的返回電流提供低阻抗路徑來緩解EMI問題。

層疊層優化可能適合設計人員避免引入新的去耦電容器或依賴現有的去耦電容器。例如，在四層PCB設計中，頂層可用于信號和電源線，而底層可以專門包含信號走線。兩個內層可用于參考平面。然后，兩個外部信號層都有一條直接的低阻抗路徑，通向內部GND平面之一。更復雜的設計可能需要引入四層以上，以便信號走線始終可以直接布線到合適的參考平面上方。

該圖說明了在四層PCB設計中排列層的三種可能方法。

使用兩個底層作為 GND 和電源層、頂層用于信號以及信號平面正下方的附加 GND 平面，可以實現極低阻抗的 PDN。這種方法有利于具有高電流消耗或快速開關組件的設計。

混合信號設計中的接地層設計

在混合信號PCB設計中，接地層設計的最終目標是盡可能隔離和分離混合信號區域，以防止干擾。如果這不可行，設計人員應確保數字電路不會在PCB的模擬部分感應出電流，因為模擬電路通常更容易產生噪聲。

在現代設計中，通常不建議將 GND 平面物理分離成多個較小的平面，以防止平面之間未定義的返回電流路徑引起的問題。相反，只有在出于監管或物理原因需要物理隔離的GND信號時，才應進行完全分離，例如在安全關鍵型應用、隔離式電源轉換器或高功率應用中。

各個區域正上方的返回電流路徑已明確定義。然而，很難估計隔離參考平面之間間隙的確切行為。

在混合信號 A/D 電路中，多個接地層可以為不同的信號類別提供不同的參考。然而，在這些情況下，設計人員通常希望使用網絡連接在單個點上連接 GND 網絡。因此，主要目標不是物理隔離，而是防止數字噪聲影響PCB上更易受影響的模擬子電路。

設計分離接地層的注意事項

如果需要或需要物理上分離的 AGND 和 DGND 區域，設計人員必須僅在合適的數字參考平面上方布線數字信號。同樣，模擬走線必須位于模擬GND平面上方，以防止兩個區域之間的EMI問題和信號串擾。

如果需要網絡連接，則應放置它，使其不允許來自一種信號的任何返回電流進入不同的參考平面。當同時處理低頻模擬和數字信號時，全分離通常更容易管理。在具有高頻模擬子電路的混合設計中，網絡連接可能更合適。

對于隔離式電源轉換器，初級和次級GND網絡應通過不同的方式連接，例如，使用非常高值的安全電容器，允許來自輸出側的噪聲通過電容器返回到輸入側，同時保持隔離屏障。

縫合過孔的作用及其對走線的影響

過孔縫合是一種利用過孔將 PCB 不同層上的銅平面連接在一起的技術。該方法可以幫助保持較短的低阻抗電流返回路徑，并創建具有低電磁噪聲的區域，這在射頻設計中是需要的。

然而，考慮過孔對附近走線和平面的潛在影響至關重要。過孔會引入阻抗不連續性、反射和串擾，尤其是在高頻下。此外，過孔會在實體參考平面中產生間隙，從而干擾附近走線的電流返回路徑。因此，需要仔細放置和布線，以減輕這些影響并確保最佳的 PCB 配電網絡性能。

底線

電源平面有助于降低噪聲和 EMI 并保持信號完整性。然而，由于電子學涉及物理原理，它們帶來了額外的挑戰。設計人員必須仔細考慮和規劃返回電流路徑及其對附近元件和導電層的影響，尤其是在混合信號設計中。

有幾種方法可以幫助緩解問題。最常見的方法之一是層疊層優化，其中設計人員更改多層設計中的層排列，以將信號層移動到參考平面上方。這樣做可以確保向GND的短、低阻抗返回電流路徑。精心放置的去耦電容器也可以產生類似的效果。在混合信號設計中，克服信號衰減的一種方法是盡可能分散頻率非常低的模擬和數字組件。通常僅在需要或需要物理隔離時（例如，由于安全法規）才建議使用單獨的接地層。相反，設計人員應采用其他方法，例如單個網絡扎帶或安全電容器。過孔圍欄還可以幫助在混合信號PCB設計中創建低噪聲區域。