Welche Flächen müssen in einem Mixed-Signal-PCB-Layout überlappen?

Versorgungsflächen oder zumindest Kupferflächen, die für die Stromversorgung verwendet werden, sind auf modernen Leiterplatten unverzichtbar. Ohne die Möglichkeit, Stromnetze in verschiedene Regionen aufzuteilen, würden digitale Systeme, wie wir sie kennen, vermutlich gar nicht existieren. Bei digitalen Leiterplatten, die bei Gleichstrom nominell betrieben werden (möglicherweise mit einem überlagerten Rauschen von einem Schaltregler), ist die Aufteilung einer Versorgungsfläche bzw. die Verwendung mehrerer Versorgungsflächen unerlässlich für das Routing großer Ströme auf Standardkern-/Logikebenen zu digitalen Bauteilen. Aber was ist mit analogen Stromnetzen und der von ihnen gelieferten Leistung? Wie lassen sich diese in ein Mixed-Signal-PCB integrieren?

Sobald man analoge und digitale Bereiche in den Versorgungslagen mit mehreren Netzen vermischt, kann es schwierig werden, eine saubere Stromversorgung in einem Design zu implementieren. Hier muss man vorsichtig arbeiten. Bei hohen Frequenzen kann dies zu spürbaren EMI-Problemen bis hin zu HF-Frequenzen führen, wenn sich die verschiedenen Arten von Flächenregionen überlappen. In diesem Fall müssen wir darüber nachdenken, wie wir Versorgungs- und Masseregionen in einer Platine mit vielen Lagen ineinander verschachteln können. Oder wie wir in Platinen mit wenigen Lagen verschiedene Versorgungsregionen voneinander trennen können.

Das Problem der Mixed-Signal-Fläche

Eine der großen Debatten, die immer und immer wieder bei Mixed-Signal-Leiterplatten bezüglich des Layouts, des Flächendesigns und des Lagenaufbaus aufkommt, ist die Anordnung von Masse- und Versorgungsnetzen, und sogar was genau als Masse bezeichnet werden kann. Angenommen, Sie entscheiden sich für eine rein analoge Massefläche und eine rein digitale Massefläche (zu Ihrer Information: davon ist eher abzuraten). Wenn diese Flächenbereiche physisch getrennt sind, welcher davon ist dann als 0 V definiert? Haben Sie nur dann das gleiche Potenzial, wenn sie mit Kappen verbunden sind? Das ist keine triviale Frage.

Die gleiche Frage stellt sich für ein Paar von Versorgungsflächen bzw. vielmehr für jedes Paar von Leitern, die durch einen Isolator getrennt sind und zwischen denen eine Potenzialdifferenz ungleich Null besteht. Wenn Sie denken, dass sich das nach einem Kondensator anhört, dann haben Sie recht! Immer dann, wenn zwei Ebenen oder Polygone durch ein isolierendes Dielektrikum voneinander getrennt sind, hat man einen Kondensator vor sich. Das bedeutet, dass sich die Versorgungsflächen auf- und entladen, wenn sich zwischen ihnen ein Potenzial entwickelt, einschließlich zweier Versorgungs-, zweier Masse- oder einer Versorgungs- und einer Massefläche.

Nehmen wir nun die folgende Anordnung von Polygonen. Die lila Polygone versorgen zwei ICs mit VDD-Strom, nominell also mit einer Gleichspannung; die angrenzenden Lagen sind Masse. Der hellblaue Bereich ist ein weiteres Gleichstromnetz mit einer anderen Spannung, das von einem anderen Regler versorgt wird. Die Frage ist: Was würde passieren, wenn wir diese in einer mehrlagigen Leiterplatte übereinander packen?

Die obige Anordnung zeigt zwei Gleichstromnetze, eine Situation, auf die ich später noch näher eingehen werde. Was wäre, wenn die hellblaue Region ein analoges Versorgungsnetz wäre? Bei Mixed-Signal-Leiterplattenlayouts müssen wir uns fragen, wie wir überlappende Flächen so anordnen, dass sich keine Störungen zwischen verschiedenen Regionen der Leiterplatte einkoppeln. Bedenken Sie, dass eine der größten Herausforderungen im Layout von Mixed-Signal-Leiterplatten darin besteht, unbeabsichtigte Interferenzen zwischen analogen und digitalen Signalen zu verhindern, wobei in erster Linie analoge Signale degradiert werden. Die Kapazität zwischen zwei Flächenlagen ist hier problematisch, und bei hohen Frequenzen wird sie noch schwieriger.

Die Auswirkungen von sich überlappenden Flächen mit unterschiedlichen Potenzialen lassen sich folgendermaßen besser verstehen, insbesondere bei Mixed-Signal-Leiterplatten.

Überlappende Gleichspannung und Analogversorgung

Wenn Sie digitale und analoge Polygone oder Flächen überlagern, wird die Kapazität zwischen den beiden Versorgungsregionen aufgrund der Oszillation in der analogen Fläche ständig als Verschiebungsstrom geladen und entladen. Das ist nachfolgend konzeptionell dargestellt:

Bei hohen Frequenzen und hoher Leistung, z. B. wenn ein HF-Signal über einen analogen Versorgungsbus mit Strom versorgt wird, kann diese Kopplung zwischen den Flächen aufgrund des oszillierenden Verschiebungsstroms auf beiden Seiten der Flächenregionen HF-Emissionen erzeugen. Dies kann bei leistungselektronischen Produkten im hohen GHz-Bereich problematisch werden, da dadurch strukturelle Resonanzen im Inneren der Leiterplatte angeregt werden können. Das führt dann zu starken Randemissionen von der Leiterplatte, wenn nicht bestimmte Unterdrückungsmaßnahmen vorgenommen werden, z. B. Via-Stitching oder komplexere Polygone wie elektromagnetische Bandgap-Strukturen, die für die Antennenisolierung verwendet werden.

Verwendung einer einzigen, ungeteilten Massefläche

Mit „ungeteilt“ meine ich eine Massefläche, die keine physikalisch getrennten Bereiche hat. Es ist ratsam, analoge Schaltkreise und digitale Schaltkreise in verschiedenen Bereichen über der einheitlichen Masse zu platzieren, wobei die Idee darin besteht, Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeitsrückwege zu nutzen, um eine gewisse Isolierung zu gewährleisten. Außerdem müssen so keine analogen/digitalen Leiterbahnen hin und her über die Platte geführt werden, wodurch wiederum weniger Möglichkeiten für Übersprechen bestehen. Das habe ich vor Kurzem in einem Blogbeitrag ausführlich besprochen. Hier erläutere ich, warum es am besten ist, einfach eine einheitliche Massefläche zu verwenden.

Was ist mit zwei Gleichstromflächen mit unterschiedlichem Potenzial?

Bei zwei Versorgungsflächen mit unterschiedlichen Gleichspannungen laden sich diese zunächst auf ihre jeweiligen Gleichspannungen auf. Es gibt anschließend in diesem stabilen Zustand keinen Verschiebungsstrom über die Ebenen. Gleichstromflächen befinden sich jedoch nicht wirklich auf einem Gleichstrompotenzial. Beachten Sie, dass aufgrund von Rauschen von Schaltreglern oder vorübergehendem Rauschen aufgrund von Masse-/Schienenkollaps das Potenzial der einzelnen Flächen nur ein nominaler Gleichstrom sein kann, mit etwas überlagertem Schaltrauschen in jeder Fläche. Das atypische Rauschen, das sich zwischen zwei Gleichstromebenen einkoppeln kann, besteht aus:

1. Schaltrauschen von Reglern, die viele Oberschwingungen umfassen und bis in den hohen MHz-Bereich reichen können
2. Rauschen aus anderen Quellen, wie z. B. Gleichtaktstörungen oder EMI von externen Strahlungsquellen

Zusammenfassung

Wenn Sie alle Massen mit einer einzigen Referenzfläche als Ihre Systemmasse verwenden, haben (oder sollten) alle von Ihnen verwendeten Massen die gleiche 0-V-Potenzialdefinition im System. Das bedeutet, dass die Unterscheidung zwischen analoger und digitaler Masse nicht wichtig ist und wir uns nur um die analoge und digitale Versorgung kümmern müssen.

Die Bestimmung der besten Anordnungen für Versorgungs- und Massefläche kann bei jeder Leiterplatte eine Herausforderung darstellen, das gilt auch für Mixed-Signal-Layouts. Verwenden Sie die CAD-Tools in Altium Designer®, um Ihre Versorgungs-/Masseregionen zu definieren und Ihr physikalisches Layout zu erstellen. Wenn Sie die Signalintegrität und EMI in Ihrem Leiterplattenlayout auswerten möchten, können Altium Designer-Benutzer die EDB-Exporter-Erweiterung verwenden, um ihr Design in den Ansys-Feldlöser zu importieren und eine Reihe leistungsstarker Signalintegritätssimulationen durchzuführen. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie auf der Altium-365™-Plattform ganz einfach zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen.

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