Überqueren Sie niemals eine Masseebenen-Lücke bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Design

Ich durchstöbere oft Foren über Elektronik und PCBs und sehe immer wieder dieselbe Frage: Warum sollte ich keine Leiterbahn über eine Unterbrechung in meiner Massefläche führen? Diese Frage wird von allen gestellt, von Bastlern bis hin zu professionellen Designern, die gerade erst in das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs einsteigen. Für den professionellen Signalintegritätsingenieur sollte die Antwort offensichtlich sein.

Ob Sie nun ein langjähriger PCB-Layoutingenieur oder ein Gelegenheitsdesigner sind, es hilft, die Antwort auf diese Frage zu verstehen. Die Antwort wird immer als eine immer/nie-Aussage formuliert. Ich gebe nicht oft Antworten in absoluten Begriffen zu Fragen des PCB-Designs, aber in diesem Fall ist die Antwort klar: Führen Sie niemals ein Signal über eine Lücke in einer Massefläche. Lassen Sie uns dies weiter untersuchen und verstehen, warum Sie keine Leiterbahn über eine Lücke in einer Massefläche führen sollten.

Masseflächenlücke: Niedrig- und Hochgeschwindigkeitsdesign

Die Beantwortung dieser Frage erfordert eine Betrachtung des Verhaltens von Signalen bei Gleichstrom, niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Geschwindigkeiten. Dies liegt daran, dass jeder Signaltyp einen anderen Rückweg in dieser Referenzebene induzieren wird. Der Rückweg, dem Ihre Signale folgen, wird einige wichtige Auswirkungen auf die innerhalb der Platine erzeugte EMI sowie auf die Anfälligkeit eines bestimmten Schaltkreises für EMI haben. Um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wie sich der Rückweg in Ihrer Leiterplatte bildet, werfen Sie einen Blick auf diesen Artikel sowie auf diesen nützlichen Leitfaden von Francesco Poderico.

Wenn Sie verstehen, wie sich der Rückstrom in Ihrer Leiterplatte bildet, dann wird es leicht zu sehen, wie er EMI und Signalintegrität beeinflusst. Hier ist der Grund, warum es wichtig ist – und es hängt mit der Verlegung über eine Lücke in der Masseebene zusammen. Die Schleife, die durch den Rückstrom auf Ihrer Platine gebildet wird, bestimmt zwei wichtige Verhaltensweisen:

• EMI-Anfälligkeit. Die durch den Versorgungs- und Rückstrom in einem Schaltkreis gebildete Schleife bestimmt die Anfälligkeit der Platine für EMI. Ein Schaltkreis mit einer großen Stromschleife wird eine größere parasitäre Induktivität aufweisen, was ihn anfälliger für abgestrahlte EMI macht.

• Klingeln bei Schaltsignalen. Die parasitäre Induktivität in einem Schaltkreis bestimmt das Niveau der Dämpfung, die die transiente Antwort in einem Schaltkreis erfährt, wenn ein Signal zwischen den Ebenen wechselt. Zusammen mit der parasitären Kapazität in Ihrem Schaltkreis bestimmen diese beiden Größen die natürliche Frequenz der transienten Antwort und die gedämpfte Schwingungsfrequenz.

Lassen Sie uns DC, langsame und schnelle Signale im Detail betrachten:

DC-Spannung/Strom

Wenn eine Platine mit Gleichstrom betrieben wird, wird der Rückstrom nicht direkt unter der Signalleitung erzeugt; er wird einer geraden Linie zurück zum Versorgungsrückkehrpunkt folgen. Das bedeutet, dass Sie im Grunde keine Kontrolle über den Rückweg haben und die Platine aufgrund der großen parasitären Induktivität anfällig für EMI sein kann. Man könnte denken, dass, da die Stromversorgung nicht schaltet, es keine transiente Oszillation geben würde, also wäre es egal, ob eine Mikrostreifenleitung über eine Lücke in der Masseebene geführt wird. Obwohl es keine Oszillation gibt, besteht immer noch das Problem der EMI-Anfälligkeit. Sie sollten versuchen, die DC-Schleifeninduktivität so niedrig wie möglich zu halten, und das Vermeiden der Führung über eine Lücke in der Masseebene ist die beste Idee, um die Schleifeninduktivität zu reduzieren.

Langsame Signale

Genau wie bei Gleichstromsignalen bestimmt der Rückweg die Schleifeninduktivität des Stromkreises, welche die EMI-Anfälligkeit und die Dämpfung in der transienten Antwort bestimmt. Wenn die Schleifeninduktivität groß ist, wird die Dämpfungsrate niedriger sein und, wie auch bei Gleichstromsignalen, erhöht das Verlegen über eine Lücke in der Masseebene die Schleifeninduktivität, was die Signalintegrität, die Leistungsintegrität und EMI beeinflusst.

Leider sind langsame Signale gewissermaßen ein Relikt, und jede Platine, die TTL und schnellere Logik verwendet, wird sich wie ein Hochgeschwindigkeitskreis verhalten. Bei langsamen Signalen (allgemein Anstiegszeiten im Bereich von Zehner-Nanosekunden und langsamer) war die Amplitude des Klingelns in einem bestimmten Schaltkreis typischerweise niedrig genug, dass sie unbemerkt blieb. Daher war, solange Signale nicht über eine Lücke in der Masseebene verlegt wurden, die Schleifeninduktivität typischerweise ausreichend niedrig, um intensives Klingeln, EMI-Anfälligkeit und damit verbundene Probleme mit der Leistungsintegrität zu verhindern (siehe unten).

Hochgeschwindigkeitssignale

Wenn ich eine Platine, die für niedrige Geschwindigkeiten ausgelegt ist, mit Hochgeschwindigkeitssignalen betreibe, wird die Amplitude des Klingelns bei einer gegebenen Schleifeninduktivität des Stromkreises größer sein. Dies verdeutlicht erneut die Notwendigkeit, die Schleifeninduktivität auf der Platine so gering wie möglich zu halten. Ziel ist es, so viel Dämpfung wie möglich zu bieten, um die Amplitude des Klingelns in einer gegebenen Verbindung zu reduzieren. Auch hier vermeidet das Verlegen über eine Lücke in der Masseebene eine Erhöhung der Schleifeninduktivität. Zusätzlich sollte eine Masseebene unter der Signallage mit Hochgeschwindigkeitsschaltungen platziert werden, um sicherzustellen, dass die Schleifeninduktivität in einer Verbindung so niedrig wie möglich ist.

Beispiel für einen Rückleitpfad für ein Signal, das über eine Lücke in der Masseebene verlegt wird.

Eine andere Betrachtungsweise einer Lücke in der Masseebene ist als Impedanzdiskontinuität. Wenn ein Signal über eine Lücke in der Masseebene geführt wird, ist die Impedanz des Bereichs über der Lücke größer als die Impedanz des Rests der Verbindung. Dies führt zu Signalreflexionen zusätzlich zu den oben erwähnten verschärften Klingelproblemen. Schauen Sie sich diesen Artikel aus dem Signal Integrity Journal an, um mehr über diesen Aspekt der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung über eine Lücke in der Masseebene zu erfahren.

Alles, was oben bezüglich digitaler Signale erwähnt wurde, gilt gleichermaßen für analoge Signale. Die oben genannten transienten Signalprobleme stehen in Zusammenhang mit Problemen der Leistungsintegrität, insbesondere bei Platinen, die Komponenten mit hoher Gate-/Pin-Anzahl verwenden. Der Lagenaufbau sollte speziell so konzipiert sein, dass er Komponenten unterstützt, die schneller als TTL sind (siehe unten).

Stromschienen und Unterbrechungen der Masseebene

Beachten Sie, dass wir dies im Hinblick auf die Signalintegrität betrachtet haben, aber die gleichen Überlegungen gelten auch für die Leistungsintegrität. Genau wie Mikrostreifenleitungen nicht über eine Unterbrechung der Masseebene geführt werden sollten, sollten Sie auch vermeiden, Stromschienen auf der Oberflächenschicht über eine Unterbrechung der Masseebene zu führen. Wenn Sie einem digitalen IC Gleichstrom zuführen, wird der IC beim Wechsel zwischen den Zuständen EIN und AUS einen gewissen Strom aus der Stromversorgung ziehen. Dies wird eine Spannungsrippel auf der Stromschiene erzeugen.

Diese spezielle transiente Antwort in der Versorgungsspannung verhält sich wie eine gedämpfte Schwingung. Ihre Amplitude ist proportional zur Impedanz des PDN und umgekehrt proportional zum Dämpfungsgrad im PDN. Genau wie die Dämpfung umgekehrt proportional zur Schleifeninduktivität in einer standardmäßigen PCB-Verbindung ist, gilt dies auch für die transiente Antwort in einem PDN. Das bedeutet, dass Sie die transiente Antwort auf der Stromschiene dämpfen können, wenn Sie die Schleifeninduktivität klein halten. Der beste Weg, dies zu tun, ist, die Masseebene auf einer Schicht direkt neben der Stromebene zu platzieren und das Verlegen von Stromschienen über eine Lücke in der Masseebene zu vermeiden.

Wenn Sie mit einer zweilagigen Platine arbeiten und keinen Platz für Masseflächen haben, sollten Sie die Rückführungswege auf Ihrer Platine sorgfältig planen, um die Schleifeninduktivität klein zu halten. Eine Option ist die Verwendung eines gitterförmigen Arrangements von Massebereichen auf den oberen und unteren Schichten, die mit Vias verbunden werden. Wenn Sie jedoch mit Hochgeschwindigkeitssignalen (TTL und schneller) arbeiten, werden Sie große Spannungsschwankungen auf den Stromschienen aufgrund unzureichender Kapazität im PDN feststellen. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass Strom- und Masseflächen auf benachbarten Schichten in Hochgeschwindigkeitsplatinen platziert werden, wobei die Massefläche direkt unter der Signal-/Komponentenschicht liegt.

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