当迹线从一个层走到另一个层时，会发生一些事

现在PCB的叠层越来越多，布线越来越密。

虽说从EMC和信号完整性的角度来讲，布线最好在同一层，也就是说，不要一根信号线，从A层走到B层，所谓跳层。

不过，这种要求，在现代PCB设计中，是绝对不可能实现的。

当信号线从一层走到另一层时，对应信号的回流正在想办法回家。信号流向很清楚，就是随着迹线流动，但是回流呢?

由于趋肤效应和邻近效应的存在，使得情况更加复杂。虽然L2层是一个平面，但是是一个有厚度的平面，所以，由于趋肤效应和邻近效应，高频回流存在于靠近信号线的一侧，也就是说L1对应的回流分布在L2的平面的上表面;而L3对应的回流分布在L2的下表面。如下图(左)所示。

所以要使回流能够跨越L2的厚度，到达另一表面，需要在该平面上提供一个电镀通孔。该通孔有两个作用，如下图(右)所示：

(1) 连接L1层和L3层，中心导体走信号

(2) 孔的外导体，走回流。

这样，当信号从通孔过的时候，回流也能从通孔的外壁流过，保持了连续性。而回流路径的阻抗，则受到通孔形状的影响。

再看下面的叠层结构，假设L1和L4是信号层，L2和L3是对应的参考层，通常L2和L3分别为电源层和地层。

先假设一个简单的情况，即L2和L3的直流电位相同，所以，这两个平面可以通过一个通孔2连接起来。

这样，当信号通过通孔从L1层到达L4层时，其回流可以通过通孔2保持连续性。如下图所示。

这种情况，和前面的case很接近。不过，因为通孔2有一定的长度，所以信号可能会有一些波动。

也许会有这样一个疑问，前面的case是从信号通孔的外壁走的，这里怎么不走了?

其实是这样的，你想象一下啊，前面的case，回流是走在同一层的上下两个表面，而这两个表面是连接在一起的;但是，现在回流是走在不同层的上下表面，这两个表面是不连的。

但是，当L2和L3两个平面的直流电位不再相同呢，而是一个是电源层，一个是GND层呢。这个时候，显然不能将L2和L3层用通孔连接起来。

那怎么办?

回流显然还是要回去的，但是怎么回去，是个问题。

一呢，通过层间电容回去。

另外一种方法呢，就是采用旁电容，电容的一端通过通孔连接到GND层，另一端通过通孔连接到电源层。此时回流需要突破一系列阻碍，从地平面开始，需通过通孔，焊盘，去耦电容，焊盘，通孔，然后才能到达电源平面。

如下图所示。

直观地说，为了最大限度地减小回流路径的环路面积，旁路电容最优的位置是防止在信号通孔的附近。也就是说，如果只能添加一个旁路电容来抑制电源层和GND层之间的电压波动，那最优的位置则是在信号孔附近。

口说无凭，可以用下面的仿真，来证明确实是这样。

仿真模型，如下图所示。粗看这个图，可能回想，这是个什么鬼?

所以，静下心来，配合下面的说明，边比对，边看。

仿真模型的叠层结构如下图所示，S1, POWER,RETURN,S2。顶层和底层是信号层，电源层和GND层是内部层。平面的大小是10cmX10cm。层间距离为30mil，层间介质的相对介电常数为4.0.

迹线a通过通孔2从S1层穿过电源层和GND层，到达S2层，改民为迹线b。

一个50mA的驱动器，用一个理想电流源Is和并联电阻Rs来表示，一端连接迹线a，另一端通过通孔1与电源层连接。

Rterm位于S2层，一端接迹线b,另一端通过通孔3连接到GND层。

电流源的输出波形，上升时间为300ps, 持续时间为300ps,下降时间为300ps的脉冲。

现在看明白了没?要是没明白的话，就回上去，再看一遍。

现在，对以下三种情况进行仿真：

情况1：没有旁路电容

情况2：旁路电容放置在开关电流源附近。

情况3：旁路电容放置在通孔2附近，即信号孔附近

旁路电容的容值为100nF, 串联等效电感ESL为50pH,等效串联电阻ESR为10mohm。电容器的两个焊盘相距2mm。

三种情况下，空间噪声电压分布的仿真结果如下图所示。

对于情况1(未安装旁路电容)，可以清楚地看到，电磁波从通孔2向外传播，等波到达电路板边缘时，会反射，从而引起电源平面和地平面之间的谐振效应。

对于情况2(旁路电容安装在开关电容附近)，空间电压分布表面，在峰值噪声产生并传播到电容位置之前，电容是无效的。(说实话，看了很多遍，我还是没看懂)

对于情况3(旁路电容安装在通孔2处)，可以看到，当当平面电压反弹到正振幅时，电容器的周围看起来像个凹痕。电容器试图在通孔2周围保持一个安静的区域，有效抑制了噪声。(这个我也没看出来，不过从明暗度看的话，电平小点)

上图是峰值噪声电压的概率分布图，粗看这一幅图，我还想，作者是不是搞错了，明显和描述不符啊。等我再看一遍，然后再读一遍，再看一遍后，明白了，其纵轴是概率分布值，横轴是电压。

所以，可以看到：

对于情况1(未安装旁路电容)，电源/回流平面上，大部分的峰值噪声电压在25-45 mV范围内。

对于情况2(旁路电容安装在开关电容附近)，表明在器件附近放置100 nF的旁路电容后，电源/回流平面上的一些区域现在表现出较低的噪声电压(约25 mV)。然而，一般来说，噪声电压的分布范围仍然是25 mV到40 mV(但中位数被转移到大约25 mV)。

对于情况3(旁路电容安装在通孔2处)，表面对噪声电压的硬着显著提高，噪声分布大多数在15~25mV之间。

所以，当信号线穿越层，特别是电源和回流参考平面时，应在穿越信号的孔附近放置通孔或旁路电容，以提供回流路径。任何其他位置都可能导致电源和回流板噪声电压的显著增加、PCB谐振，以及随后的EMI和信号完整性性能下降。

需要注意的是，在实际电路中(与用于模拟的简化电路不同)，应在平面上使用多个旁路电容，而不是单个电容，以保持电源和回流平面无谐振。

审核编辑：汤梓红