Ne traversez jamais un espace de plan de masse dans la conception de PCB à haute vitesse

Je parcours souvent les forums d'électronique et de PCB, et je vois la même question posée encore et encore : Pourquoi ne devrais-je pas tracer une piste au-dessus d'une coupure dans mon plan de masse ? Cette question est posée par tout le monde, des bricoleurs aux concepteurs professionnels qui commencent tout juste à s'intéresser à la conception de PCB à haute vitesse. Pour l'ingénieur en intégrité des signaux professionnel, la réponse devrait être évidente.

Que vous soyez un ingénieur de layout PCB expérimenté ou un concepteur occasionnel, il est utile de comprendre la réponse à cette question. La réponse est toujours formulée comme une affirmation absolue. Je n'aime pas souvent donner des réponses absolues aux questions de conception de PCB, mais dans ce cas, la réponse est claire : Ne jamais tracer un signal au-dessus d'un espace dans un plan de masse. Creusons cela plus profondément et comprenons pourquoi vous ne devriez pas tracer une piste au-dessus d'un espace dans un plan de masse.

Écart dans le Plan de Masse : Conception à Basse et Haute Vitesse

Répondre à cette question nécessite de considérer comment les signaux se comportent en courant continu (DC), à basse vitesse et à haute vitesse. Cela est dû au fait que chaque type de signal induira un chemin de retour différent dans ce plan de référence. Le chemin de retour que vos signaux suivront aura des effets importants sur l'EMI (interférence électromagnétique) générée à l'intérieur de la carte, ainsi que sur la susceptibilité d'un circuit particulier à l'EMI. Pour mieux comprendre comment le chemin de retour se forme dans votre PCB, jetez un œil à cet article, ainsi qu'à ce guide utile de Francesco Poderico.

Si vous comprenez comment le courant de retour se forme dans votre PCB, alors il devient facile de voir comment il affecte l'EMI et l'intégrité du signal. Voici pourquoi c'est important - et cela concerne le routage au-dessus d'un écart de plan de masse. La boucle formée par le courant de retour dans votre carte détermine deux comportements importants :

• Susceptibilité à l'EMI. La boucle créée par le courant d'alimentation et de retour dans un circuit détermine la susceptibilité de la carte à l'EMI. Un circuit avec une grande boucle de courant aura une inductance parasite plus grande, le rendant plus susceptible à l'EMI rayonnée.

• Oscillations dans les signaux de commutation. L'inductance parasite dans un circuit détermine le niveau d'amortissement subi par la réponse transitoire dans un circuit lorsqu'un signal passe d'un niveau à un autre. Lorsqu'elle est considérée conjointement avec la capacité parasite de votre circuit, ces deux quantités déterminent la fréquence naturelle de la réponse transitoire et la fréquence d'oscillation amortie.

Examinons en détail les signaux DC, à basse vitesse et à haute vitesse :

Tension/Courant DC

Lorsqu'une carte fonctionne avec une alimentation DC, le courant de retour ne sera pas produit directement sous la trace du signal ; il suivra une ligne droite jusqu'au point de retour de l'alimentation. Cela signifie que vous n'avez essentiellement aucun contrôle sur le chemin de retour, et la carte peut être susceptible aux interférences électromagnétiques (EMI) en raison de la grande inductance parasite. On pourrait penser que, comme l'alimentation ne commute pas, il n'y aurait pas d'oscillation transitoire, donc cela ne poserait pas de problème si une trace microstrip est routée au-dessus d'un espace dans le plan de masse. Bien qu'il n'y ait pas d'oscillation, il y a toujours le problème de la susceptibilité aux EMI. Vous devriez essayer de garder l'inductance de la boucle DC aussi basse que possible, et éviter de router au-dessus d'un espace dans le plan de masse est la meilleure idée pour réduire l'inductance de la boucle.

Signaux à basse vitesse

Tout comme pour les signaux DC, le chemin de retour détermine l'inductance de boucle du circuit, ce qui détermine la susceptibilité aux interférences électromagnétiques (EMI) et l'amortissement dans la réponse transitoire. Si l'inductance de boucle est grande, le taux d'amortissement sera plus faible et, comme c'était le cas pour les signaux DC, le routage au-dessus d'un espace dans le plan de masse augmente l'inductance de boucle, ce qui affecte l'intégrité du signal, l'intégrité de l'alimentation et les EMI.

Malheureusement, les signaux à basse vitesse sont quelque peu des reliques, et chaque carte utilisant la logique TTL et plus rapide se comportera comme un circuit à haute vitesse. Avec les signaux à basse vitesse (généralement des temps de montée de l'ordre de dizaines de ns et plus lents), l'amplitude de l'oscillation dans un circuit particulier était généralement assez faible pour passer inaperçue. Par conséquent, tant que les signaux n'étaient pas routés au-dessus d'un espace dans le plan de masse, l'inductance de boucle était généralement suffisamment faible pour éviter une oscillation intense, une susceptibilité aux EMI et les problèmes associés à l'intégrité de l'alimentation (voir ci-dessous).

Signaux à Haute Vitesse

Si je prends une carte conçue pour fonctionner à basse vitesse, et que je la fais fonctionner avec des signaux à haute vitesse, l'amplitude des oscillations sera plus importante pour une inductance de boucle de circuit donnée. Cela illustre à nouveau la nécessité de maintenir l'inductance de la boucle dans la carte aussi petite que possible. L'objectif est de fournir autant d'amortissement que possible afin de réduire l'amplitude des oscillations dans une interconnexion donnée. De plus, le routage au-dessus d'un espace dans le plan de masse évitera d'augmenter l'inductance de la boucle. En outre, un plan de masse doit être placé sous la couche de signal transportant des circuits à haute vitesse afin de garantir que l'inductance de la boucle soit aussi basse que possible tout au long d'une interconnexion.

Exemple de chemin de retour pour un signal routé au-dessus d'un espace dans le plan de masse.

Une autre manière de voir un espace dans le plan de masse est comme une discontinuité d'impédance. Si un signal est routé au-dessus d'un espace dans le plan de masse, l'impédance de la région au-dessus de l'espace sera plus grande que l'impédance du reste de l'interconnexion. Cela conduit à une réflexion du signal en plus des problèmes d'oscillations exacerbés mentionnés ci-dessus. Jetez un œil à cet article du Signal Integrity Journal pour en savoir plus sur cet aspect de la signalisation à haute vitesse au-dessus d'un espace dans le plan de masse.

Tout ce qui a été mentionné ci-dessus concernant les signaux numériques s'applique également aux signaux analogiques. Les problèmes de signaux transitoires mentionnés ci-dessus sont liés à des problèmes d'intégrité de puissance, en particulier dans les cartes qui utilisent des composants à nombre élevé de portes/broches. La pile de couches doit être spécifiquement conçue pour supporter des composants plus rapides que TTL (voir ci-dessous).

Alimentations et Interruptions du Plan de Masse

Notez que nous avons examiné cela en termes d'intégrité de signal, mais les mêmes idées s'appliquent à l'intégrité de puissance. Tout comme les pistes microstrip ne doivent pas être routées à travers une interruption du plan de masse, vous devriez également éviter de router les rails d'alimentation sur la couche de surface au-dessus d'une interruption du plan de masse. Si vous fournissez de l'énergie DC à un circuit intégré numérique, le CI tirera un certain courant de l'alimentation lorsqu'il bascule entre les états ON et OFF. Cela produira une ondulation de tension sur le rail d'alimentation.

Cette réponse transitoire particulière dans la tension d'alimentation se comporte comme une oscillation amortie. Son amplitude est proportionnelle à l'impédance du PDN et est inversement proportionnelle au niveau d'amortissement dans le PDN. Tout comme l'amortissement est inversement proportionnel à l'inductance de boucle dans une interconnexion PCB standard, il en va de même pour la réponse transitoire dans un PDN. Cela signifie que vous pouvez amortir la réponse transitoire sur le rail d'alimentation si vous maintenez l'inductance de boucle petite. La meilleure façon de faire cela est de placer le plan de masse sur une couche directement adjacente au plan d'alimentation et d'éviter de router des rails d'alimentation au-dessus d'un écart de plan de masse.

Si vous travaillez avec une carte à deux couches et que vous n'avez pas de place pour des plans de masse, vous devriez planifier soigneusement les chemins de retour sur votre carte afin de maintenir la petite inductance de boucle. Une option consiste à utiliser un arrangement en grille de régions de masse sur les couches supérieure et inférieure et à les connecter avec des vias. Cependant, si vous travaillez avec des signaux à haute vitesse (TTL et plus rapide), vous observerez de grandes fluctuations de tension sur les rails d'alimentation en raison d'une capacité insuffisante dans le PDN. C'est la raison principale pour laquelle les plans d'alimentation et de masse sont placés sur des couches adjacentes dans les cartes à haute vitesse, et le plan de masse est placé directement sous la couche de signal/composant.

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