Aufteilen von Ebenen – Das Gute, das Schlechte und das Hässliche

Das Aufteilen von Ebenen oder das Vornehmen von Schnitten in Ebenen ist ein weiteres dieser technischen Themen, bei denen es viele widersprüchliche Informationen gibt. Einige sagen, es sei gut, Stromversorgungsebenen aufzuteilen; andere sagen, man könne sowohl Masse- als auch Stromversorgungsebenen aufteilen, einige sagen, Schnitte sollten nur in Stromversorgungsebenen gemacht werden, und wieder andere sagen, man solle Schnitte in Ebenen ganz vermeiden. Dieser Artikel wird die Mythen um aufgeteilte Ebenen entlarven, Beweise liefern, wann sie nützlich sind, und beschreiben, wann sie nicht gemacht werden sollten.

Wahrheiten, Gerüchte und Missverständnisse

Wie oben erwähnt, ist das Aufteilen von Ebenen oder das Vornehmen von Schnitten in Ebenen eines dieser Themenbereiche, die mit vielen Fehlinformationen und Verwirrungen behaftet sind. Im Folgenden sind einige der häufiger gemachten Kommentare aufgeführt, die das Thema insgesamt verwirren und den Produktentwicklern einen schlechten Dienst erweisen. Es sollte beachtet werden, dass die Warnungen gegen das Aufteilen in gewisser Weise willkürlich hinsichtlich ihrer Platzierung, ihrer Begründung und des Schadens, den sie anrichten können, sind. Dazu gehören:

• Jedes Signal, das in der geteilten Masse- oder Stromversorgungsebene kreuzt, ist unerwünscht. Je höher die Schaltfrequenz, desto schlimmer werden die Auswirkungen sein.“

• „Das Überqueren einer geteilten Ebene mit einer Leiterbahn ist schlecht, da es die Induktivität erhöht und den Weg für den Rückstrom kompliziert.“

• „Man teilt Masseebenen, um die gemeinsame ModusStörung auf ihrer analogen Seite zu reduzieren.“

• „Positionieren Sie Ihre Platine in separate analoge und digitale Bereiche.“

• „Wenn Sie Ihre analogen Bereiche isolieren, benötigen Sie geteilte Ebenen.“

• „Das Überqueren einer geteilten Stromversorgungsebene sollte niemals erfolgen, wegen des erhöhten Risikos von Übersprechen und dem Nichterfüllen von EMC-Anforderungen.“

Um die Dinge zu vereinfachen, können wir all das Vorhergehende leicht entkräften und sagen, dass sie nicht wahr sind. Aber vielleicht ist eine der wichtigsten Erkenntnisse, dass Sie NIEMALS, unter KEINEN Umständen, Masseebenen teilen sollten. Wenn Sie das tun, werden Sie die Integrität Ihres PDS zerstören.

Lee Ritchey, Gründer und Präsident von Speeding Edge, bemerkt: „Es gibt selbsternannte EMI-Experten, die das Schneiden der Masseebene befürworten, weil ein Strom in der Masseebene fließt, der irgendwo ein analoges Signal stören wird. Die Idee hier ist, dass man einen Fleck der Masseebene in eine kleine Insel verwandelt und sie an einem Ort anschließt. In fast jedem Fall, den ich gesehen habe, nimmt jemand an, dass irgendein magisches Problem existiert, weil die Ströme in der Masseebene zirkulieren. Tatsächlich hat jedes Mal, wenn ich gesehen habe, dass jemand eine Masseebene geschnitten hat, ein EMI-Problem verursacht.“

Wenn wir also alle schlechten Daten, die weiterhin über das Teilen der Masseebene zirkulieren, eliminiert haben, verlagert sich die Diskussion auf die Stromversorgungsebenen, und es gibt legitime Gründe für deren Aufteilung. Diese Gründe und die Methoden zu ihrer Umsetzung sind unten detailliert aufgeführt.

Verteilung von zwei Spannungen des Stromversorgungsdesigns in derselben PCB-Schicht

Es gibt nur einen Grund, eine Ebene zu teilen, und das wird bei einer Stromversorgungsebene gemacht, wenn Sie zwei oder mehr Vdds in derselben Ebene haben. In Wahrheit würde die moderne Elektronik ohne diese Fähigkeit nicht existieren. Zuerst müssen Sie sicherstellen, dass die Impedanz der Vdds, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Teilung befinden, sehr niedrig ist (Milliohm), damit die Integrität der Stromversorgung für alle Spannungen gut ist. Die niedrige Impedanz jedes der Vdds, zwischen jedem Vdd und der Masseebene, ist der Wechselstrompfad über die Lücke. Es sollte auch beachtet werden, dass diese Lücke nie breiter als 10 Mil (0,254mm) sein muss.

Um das Vorhergehende zu veranschaulichen, zeigt Abbildung 1 ein Test-PCB mit Leiterbahnen in der vergrabenen Mikrostreifenschicht (Schicht 2), die die Ebene in Schicht 3 kreuzen.

Abbildung 1. Test-PCB mit Leiterbahnen, die Ebenenteilungen kreuzen

Abbildung 2 ist der Querschnitt der geteilten Stromversorgungsebene unter einer Leiterbahn. Sowohl die ausgehenden als auch die rückkehrenden Ströme werden mit Pfeilen gezeigt.

Abbildung 2. Seitenansicht einer Leiterbahn, die eine geteilte Ebene in einem PCB kreuzt, mit Pfeilen zur Anzeige des Stroms

Hinweis: In der oberen linken Ecke dieses Diagramms befindet sich eine Tabelle, die die kapazitive Reaktanz von drei verschiedenen Kondensatoren in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt. Die häufig für diskrete Entkopplungskondensatoren verwendeten 1 nF und 10 nF Kondensatoren erzeugen, selbst einzeln verwendet, eine relativ niedrige Impedanz. Wenn Stromversorgungssysteme korrekt entwickelt werden, wird eine Kombination aus den diskreten Kondensatoren und der Plattenkapazität verwendet, was zu einer Impedanz von 10 Milliohm oder darunter zwischen Vdd und Masse von Gleichstrom bis zu einem Gigahertz oder mehr führt. Dies schließt effektiv die Stromebenen mit der darunterliegenden Ebene bei allen interessierenden Frequenzen kurz. Der Rückstrom hat einen Wechselstrompfad um den Plattenzuschnitt herum und ist für das Signal nicht sichtbar.

Abbildung 3 zeigt ein TDR-Signal, das verdeutlicht, dass es keine signifikante Verschlechterung durch das Überqueren der Trennung gibt. Das blaue Signal ist das Signal, das die Ebenentrennung überquert. Die sehr kleine Aufwärtsinflektion in der Mitte des Signals ist die Position der Ebenentrennung. Dies beseitigt die Sorge um die Signalqualität als Ergebnis von geteilten Masseebenen. Zusätzlich ist EMI kein besorgniserregender Punkt. Die oben genannte Spur wurde mit einem RF-Generator angeregt und mit einer Nahfeldsonde untersucht, die an einen Spektrumanalysator angeschlossen war. Als die Sonde hin und her über die Trennung bewegt wurde, gab es keine Veränderung im Niveau der detektierten Energie.

Abbildung 3. TDR-Signal des Signals, das die Ebenentrennung in Abbildung 1 überquert

Zusätzliche Kommentare

Gleichtaktstörungen: Eine der vorhergehenden Warnungen spricht davon, eine Ebene zu teilen, um Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Gleichtakt bedeutet, dass es zwei Elemente gibt, die etwas gemeinsam haben. Fast immer handelt es sich dabei um ein differentielles Paar. Wenn es Störungen gibt, hofft man, dass es sich um Gleichtaktstörungen handelt. Das bedeutet, dass die Störung auf beiden Seiten gleich groß ist und dass das differentielle Paar diese dann ignoriert. Dies ist die Definition eines Erdungsversatzes – es handelt sich um wahre Gleichtaktstörungen, und dies hat nichts mit geteilten Ebenen in PCBs zu tun.

Analoge und digitale Abschnitte einer Platine: Eine weitere oben genannte Warnung verbindet Ebenenschnitte mit den analogen Abschnitten einer Platine. Teilungen haben mit der Verteilung von zwei Versorgungsspannungen in derselben Ebene zu tun und nicht mit dem Standort der analogen oder digitalen Abschnitte einer Platine.

Zusammenfassung

Ähnlich wie bei anderen Themen des PCB-Designs, die von Missverständnissen und falschen Annahmen umgeben sind, ist die Verwendung von Ebenenteilungen von vielen Fehlinformationen und Irreführungen geprägt. Wenn verstanden wird, dass Ebenenteilungen auf die Verteilung von zwei Versorgungsspannungen in derselben Ebene beschränkt sind, wird es viel einfacher, Ebenenschnitte in den gesamten Systementwurfsprozess einzubeziehen und sicherzustellen, dass PCBs wie vorgesehen funktionieren, beim ersten Mal.

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Referenz

1. Ritchey, Lee W. und Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 2.“