Non attraversare mai un'interruzione del piano di massa in un progetto PCB ad alta velocità

Spesso navigo nei forum di elettronica e PCB, e vedo la stessa domanda posta più e più volte: Perché non dovrei tracciare un percorso sopra una spaccatura nel mio piano di massa? Questa domanda viene posta da tutti, dai maker ai progettisti professionali che stanno solo iniziando a immergersi nella progettazione di PCB ad alta velocità. Per l'ingegnere professionista dell'integrità del segnale, la risposta dovrebbe essere ovvia.

Sia che tu sia un ingegnere di layout PCB con anni di esperienza sia un progettista occasionale, aiuta comprendere la risposta a questa domanda. La risposta è sempre formulata come un'affermazione di tipo sempre/mai. Non mi piace spesso dare risposte in termini assoluti alle domande sulla progettazione dei PCB, ma in questo caso la risposta è chiara: Mai tracciare un segnale sopra un'interruzione in un piano di massa. Approfondiamo ulteriormente e capiamo perché non si dovrebbe tracciare un percorso sopra un'interruzione in un piano di massa.

Interruzione del Piano di Massa: Progettazione a Bassa e Alta Velocità

Rispondere a questa domanda richiede di considerare come si comportano i segnali in corrente continua (DC), a basse velocità e ad alte velocità. Questo perché ogni tipo di segnale indurrà un diverso percorso di ritorno in questo piano di riferimento. Il percorso di ritorno seguito dai tuoi segnali avrà alcuni effetti importanti sull'EMI generata all'interno della scheda, così come sulla suscettibilità di un particolare circuito all'EMI. Per avere un'idea migliore di come si forma il percorso di ritorno nel tuo PCB, dai un'occhiata a questo articolo, così come a questa guida utile di Francesco Poderico.

Se capisci come si forma la corrente di ritorno nel tuo PCB, allora diventa facile vedere come influisce sull'EMI e sull'integrità del segnale. Ecco perché è importante - e si ricollega al routing sopra una lacuna nel piano di massa. Il loop formato dalla corrente di ritorno nella tua scheda determina due comportamenti importanti:

• Suscettibilità all'EMI. Il loop creato dalla corrente di alimentazione e di ritorno in un circuito determina la suscettibilità della scheda all'EMI. Un circuito con un grande loop di corrente avrà un'induttanza parassita maggiore, rendendolo più suscettibile all'EMI irradiata.

• Ronzio nei segnali di commutazione. L'induttanza parassita in un circuito determina il livello di smorzamento sperimentato dalla risposta transitoria in un circuito quando un segnale passa da un livello all'altro. Quando considerata insieme alla capacità parassita nel tuo circuito, queste due quantità determinano la frequenza naturale della risposta transitoria e la frequenza dell'oscillazione smorzata.

Esaminiamo in dettaglio i segnali DC, a bassa velocità e ad alta velocità:

Corrente/Tensione DC

Quando una scheda funziona con alimentazione DC, la corrente di ritorno non sarà prodotta direttamente sotto la traccia del segnale; seguirà una linea retta di ritorno al punto di alimentazione. Questo significa che sostanzialmente non hai controllo sul percorso di ritorno, e la scheda può essere suscettibile a EMI a causa della grande induttanza parassita. Si potrebbe pensare che, poiché l'alimentazione non sta commutando, non ci sarebbe oscillazione transitoria, quindi non sarebbe importante se una traccia microstrip è instradata sopra un gap nel piano di massa. Anche se non c'è oscillazione, rimane comunque il problema della suscettibilità a EMI. Dovresti cercare di mantenere l'induttanza del loop DC il più bassa possibile, ed evitare di instradare sopra un gap nel piano di massa è l'idea migliore per ridurre l'induttanza del loop.

Segnali a Bassa Velocità

Così come per i segnali DC, il percorso di ritorno determina l'induttanza di loop del circuito, che a sua volta determina la suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e l'ammortizzazione nella risposta transitoria. Se l'induttanza di loop è elevata, il tasso di ammortizzazione sarà inferiore e, come nel caso dei segnali DC, il passaggio su una discontinuità del piano di massa aumenta l'induttanza di loop, influenzando l'integrità del segnale, l'integrità della potenza e le EMI.

Sfortunatamente, i segnali a bassa velocità sono in qualche modo un relitto del passato, e ogni scheda che utilizza logica TTL o più veloce si comporterà come un circuito ad alta velocità. Con segnali a bassa velocità (generalmente tempi di salita nell'ordine delle decine di ns e più lenti), l'ampiezza dell'anello in un circuito particolare era tipicamente abbastanza bassa da passare inosservata. Pertanto, finché i segnali non venivano instradati su una discontinuità del piano di massa, l'induttanza di loop era tipicamente sufficientemente bassa da prevenire un intenso anello, suscettibilità alle EMI e problemi associati all'integrità della potenza (vedi sotto).

Segnali ad Alta Velocità

Se prendo una scheda progettata per funzionare a bassa velocità e la faccio funzionare con segnali ad alta velocità, l'ampiezza dell'anello sarà maggiore per un dato circuito a causa dell'induttanza del loop. Anche questo illustra la necessità di mantenere l'induttanza del loop nella scheda il più piccola possibile. L'obiettivo è fornire il maggior smorzamento possibile al fine di ridurre l'ampiezza dell'anello in un dato interconnettore. Ancora una volta, il tracciamento sopra un'interruzione del piano di massa eviterà l'aumento dell'induttanza del loop. Inoltre, un piano di massa dovrebbe essere posizionato sotto lo strato di segnale che trasporta circuiti ad alta velocità per garantire che l'induttanza del loop sia il più bassa possibile in tutto l'interconnettore.

Esempio di percorso di ritorno per un segnale tracciato sopra un'interruzione del piano di massa.

Un altro modo di vedere un'interruzione del piano di massa è come una discontinuità di impedenza. Se un segnale viene tracciato sopra un'interruzione del piano di massa, l'impedenza della regione sopra l'interruzione sarà maggiore dell'impedenza del resto dell'interconnettore. Questo porta a riflessioni del segnale in aggiunta ai problemi di anello esacerbati menzionati sopra. Dai un'occhiata a questo articolo dal Signal Integrity Journal per saperne di più su questo aspetto della segnalazione ad alta velocità sopra un'interruzione del piano di massa.

Tutto ciò che è stato menzionato sopra riguardo ai segnali digitali si applica allo stesso modo ai segnali analogici. I problemi di segnale transitorio menzionati sopra sono correlati a problemi di integrità della potenza, specialmente in schede che utilizzano componenti con un alto numero di gate/pin. Lo stack di strati dovrebbe essere specificamente progettato per supportare componenti più veloci del TTL (vedi sotto).

Binari di Alimentazione e Interruzioni nel Piano di Terra

Notate che abbiamo esaminato questo in termini di integrità del segnale, ma le stesse idee si applicano all'integrità della potenza. Proprio come le tracce microstrip non dovrebbero essere instradate attraverso un'interruzione nel piano di terra, si dovrebbe anche evitare di instradare i binari di alimentazione sullo strato superficiale sopra un'interruzione nel piano di terra. Se state fornendo alimentazione DC a un circuito integrato digitale, il CI preleverà una certa corrente dall'alimentatore quando passa dagli stati ON a OFF. Questo produrrà un'oscillazione di tensione sul binario di alimentazione.

Questa particolare risposta transitoria nella tensione di alimentazione si comporta come un'oscillazione smorzata. La sua ampiezza è proporzionale all'impedenza della PDN ed è inversamente proporzionale al livello di smorzamento nella PDN. Proprio come lo smorzamento è inversamente proporzionale all'induttanza di loop in un collegamento interconnesso PCB standard, lo stesso si applica alla risposta transitoria in una PDN. Questo significa che puoi attenuare la risposta transitoria sul binario di alimentazione se mantieni piccola l'induttanza di loop. Il modo migliore per fare ciò è posizionare il piano di massa su uno strato direttamente adiacente al piano di alimentazione ed evitare di instradare qualsiasi binario di alimentazione sopra qualsiasi gap del piano di massa.

Se stai lavorando con un circuito a due strati e non hai spazio per i piani di massa, dovresti pianificare attentamente i percorsi di ritorno sulla tua scheda in modo da mantenere piccola l'induttanza di loop. Un'opzione è utilizzare un arrangiamento a griglia di regioni di massa sui strati superiore e inferiore e collegarli con delle vie. Tuttavia, se stai lavorando con segnali ad alta velocità (TTL e superiori), vedrai grandi fluttuazioni di tensione sui binari di alimentazione a causa di capacità insufficiente nella PDN. Questa è la ragione principale per cui i piani di alimentazione e di massa sono posizionati su strati adiacenti nelle schede ad alta velocità, e il piano di massa è posizionato direttamente sotto lo strato di segnale/componente.

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