Séparation des plans - Le bon, le mauvais et le laid

Diviser les plans ou réaliser des coupes dans les plans est un autre de ces problèmes techniques où il existe beaucoup d'informations contradictoires. Certains disent qu'il est bon de diviser les plans d'alimentation ; d'autres disent que vous pouvez diviser à la fois les plans de masse et les plans d'alimentation, certains disent que vous ne devez faire des coupes que dans les plans d'alimentation, et d'autres disent d'éviter complètement les coupes dans les plans. Cet article va démystifier les mythes entourant les plans divisés, fournir des preuves quant à leur utilité, et décrire quand ils ne devraient pas être réalisés.

Vérités, rumeurs et idées fausses

Comme mentionné ci-dessus, diviser les plans ou réaliser des coupes dans les plans est l'un de ces domaines sujets à beaucoup de désinformation et de confusion. Voici quelques-uns des commentaires les plus fréquemment faits, qui servent à embrouiller le sujet dans son ensemble, et à rendre un mauvais service aux développeurs de produits. Il convient de noter que les avertissements "anti-division" sont quelque peu aléatoires en termes d'où ils devraient être placés, pourquoi ils devraient être faits, et quel dommage ils peuvent causer. Ils incluent :

• Tout signal qui traverse dans le plan de masse divisé ou le plan d'alimentation est indésirable. Plus le taux de commutation est élevé, pires seront les effets."

• "Traverser un plan de masse avec une trace est mauvais car cela augmente l'inductance et complique le chemin pour le courant de retour."

• "Vous divisez les plans de masse pour réduire le bruit en mode commun sur son côté analogique"   "

• "Positionnez votre carte en sections analogiques et numériques séparées."

• "Si vous isolez vos sections analogiques, vous avez besoin de plans divisés."

• "Traverser un plan d'alimentation divisé ne devrait jamais être fait en raison du risque accru de diaphonie et de non-conformité aux exigences CEM."

Pour simplifier les choses, nous pouvons facilement démentir tout ce qui précède et dire que ce n'est pas vrai. Mais, peut-être que l'une des conclusions les plus importantes est que vous ne devriez JAMAIS, JAMAIS diviser les plans de masse. Si vous le faites, vous détruirez l'intégrité de votre PDS.

Lee Ritchey, fondateur et président de Speeding Edge, note : « Il y a des autoproclamés gourous de l'EMI qui préconisent de couper le plan de masse parce qu'il y a un courant circulant dans le plan de masse qui va perturber un signal analogique quelque part. L'idée ici est que vous transformez une parcelle du plan de masse en une petite île et que vous l'attachez en un seul endroit. Dans presque tous les cas que j'ai vus, quelqu'un suppose qu'un sorte de problème magique existe parce que les courants circulent dans le plan de masse. En réalité, chaque fois que j'ai vu quelqu'un couper un plan de masse, il a créé un problème d'EMI. »

Ainsi, une fois que nous avons éliminé toutes les mauvaises données qui continuent de circuler sur la division du plan de masse, la discussion se déplace vers les plans d'alimentation, et il existe des raisons légitimes de les diviser. Ces raisons et les moyens de les mettre en œuvre sont détaillés ci-dessous.

Distribution de deux tensions de conception de plan d'alimentation dans la même couche de PCB

Il n'y a qu'une seule raison de diviser un plan, et cela se fait dans un plan d'alimentation lorsque vous avez deux Vdds ou plus dans le même plan. En vérité, l'électronique moderne n'existerait pas sans cette capacité. Tout d'abord, vous devez vous assurer que l'impédance des Vdds qui sont de part et d'autre de la division est très faible (milliohms), afin que l'intégrité de la livraison de puissance soit bonne pour toutes les tensions. La faible impédance de chacun des Vdds, entre chaque Vdd et le plan de masse, est le chemin AC à travers l'écart. Il convient également de noter que cet écart n'a jamais besoin d'être plus large que 10 mils (0,254 mm).

Pour illustrer ce qui précède, la Figure 1 est un PCB de test avec des traces dans la couche microstrip enterrée (couche 2) qui traversent le plan dans la couche 3.

Figure 1. PCB de test avec des traces traversant des divisions de plan

La Figure 2 est la coupe transversale du plan d'alimentation divisé sous une trace. Les courants sortants et de retour sont indiqués par des flèches.

Figure 2. Vue de côté d'une trace traversant un plan divisé dans un PCB avec des flèches pour montrer le courant

Note : Dans le coin supérieur gauche de ce schéma se trouve un tableau montrant la réactance capacitive de trois condensateurs de tailles différentes en fonction de la fréquence. Les condensateurs de 1 nF et 10 nF, couramment utilisés pour le découplage discret, même pris individuellement, produisent une impédance relativement faible. Lorsque les systèmes de distribution d'énergie sont correctement conçus, une combinaison des condensateurs discrets et de la capacité des plans sera utilisée, ce qui résulte en une impédance à 10 milliohms ou moins entre Vdd et la masse de courant continu jusqu'à un gigahertz ou plus. Cela “court-circuite” effectivement les plans d'alimentation au plan sous-jacent à toutes les fréquences d'intérêt. Le courant de retour dispose d'un chemin en courant alternatif autour de la coupure du plan et n'est pas visible par le signal.

La figure 3 est une forme d'onde TDR montrant qu'il n'y a pas de dégradation significative résultant du franchissement de la séparation. La forme d'onde bleue est le signal traversant la séparation du plan. La très petite inflexion vers le haut au milieu de la forme d'onde est l'emplacement de la séparation du plan. Cela élimine les inquiétudes concernant la qualité du signal résultant des plans de masse séparés. De plus, les EMI ne constituent pas un sujet de préoccupation. La trace mentionnée ci-dessus a été excitée avec un générateur RF et sondée avec une sonde en champ proche attachée à un analyseur de spectre. Lorsque la sonde était déplacée de part et d'autre de la séparation, aucun changement dans le niveau d'énergie détecté n'a été observé.

Figure 3. Forme d'onde TDR du Signal Traversant la Séparation de Plan dans la Figure 1

Commentaires Supplémentaires

Bruit en mode commun : L'un des avertissements mentionnés ci-dessus parle de la division d'un plan pour réduire le bruit en mode commun. Mode commun signifie qu'il y a deux éléments qui ont quelque chose en commun. Presque toujours, il s'agit d'une paire différentielle. Si vous devez avoir du bruit, vous espérez que ce sera en mode commun. Cela signifie que le bruit de même taille est des deux côtés et que la paire différentielle l'ignore alors. C'est la définition d'un décalage de terre - c'est du vrai bruit en mode commun et cela n'a rien à voir avec les plans divisés dans un PCB.

Sections analogiques et numériques d'une carte : Un autre avertissement cité ci-dessus relie les coupures de plan aux sections analogiques d'une carte. Les divisions concernent la distribution de deux tensions d'alimentation dans le même plan et non l'emplacement des sections analogiques ou numériques d'une carte.

Résumé

Comme pour d'autres sujets de conception de PCB qui sont entourés de malentendus et de fausses suppositions, l'utilisation de divisions de plan est marquée par beaucoup de désinformation et de mauvaise orientation. Lorsqu'il est compris que les divisions de plan sont limitées à la distribution de deux tensions d'alimentation dans le même plan, il devient beaucoup plus facile d'intégrer les coupures de plan dans le processus global de conception du système et de s'assurer que les PCB fonctionneront comme prévu, dès la première fois.

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Référence

1. Ritchey, Lee W. et Zasio, John J., « Right The First Time, Un Manuel Pratique sur la Conception de PCB et de Systèmes Haute-Vitesse, Volume 2. »