Divisione dei Piani—Il Buono, il Brutto e il Cattivo

Dividere i piani o effettuare tagli nei piani è un altro di quei problemi tecnici su cui ci sono molte informazioni contrastanti. Alcuni dicono che è una buona cosa dividere i piani di alimentazione; altri dicono che si possono dividere sia i piani di terra che quelli di alimentazione, alcuni dicono di fare tagli solo nei piani di alimentazione, e altri dicono di evitare del tutto i tagli nei piani. Questo articolo sfaterà i miti che circondano i piani divisi, fornirà prove su quando sono utili e descriverà quando non dovrebbero essere fatti.

Verità, voci e malintesi

Come accennato sopra, dividere i piani o effettuare tagli nei piani è uno di quegli argomenti che è afflitto da molte informazioni errate e confusione. Di seguito sono riportati alcuni dei commenti più frequentemente espressi, che servono a confondere l'argomento nel suo complesso e a rendere un cattivo servizio agli sviluppatori di prodotti. Va notato che gli avvertimenti "anti-divisone" sono in qualche modo casuali in termini di dove dovrebbero essere collocati, perché dovrebbero essere fatti e quale danno possono fare. Essi includono:

• Qualsiasi segnale che attraversa nel piano di terra diviso o nel piano di alimentazione è indesiderabile. Più alta è la frequenza di commutazione, peggiori saranno gli effetti.”

• "Attraversare un piano di separazione con una traccia è negativo perché aumenta l'induttanza e complica il percorso per la corrente di ritorno."

• "Si dividono i piani di massa per ridurre il rumore in modalità comune sul suo lato analogico" "

• "Posiziona la tua scheda in sezioni analogiche e digitali separate."

• "Se isoli le tue sezioni analogiche, hai bisogno di piani di separazione."

• "Attraversare un piano di potenza diviso non dovrebbe mai essere fatto a causa dell'aumentato rischio di diafonia e del mancato rispetto dei requisiti EMC."

Per semplificare le cose, possiamo facilmente confutare tutto quanto detto sopra e dire che non è vero. Ma, forse uno dei punti più importanti da ricordare è che NON si dovrebbero MAI, MAI dividere i piani di massa. Se lo fai, distruggerai l'integrità del tuo PDS.

Lee Ritchey, fondatore e presidente di Speeding Edge, osserva: "Ci sono autoproclamati guru dell'EMI che sostengono il taglio del piano di massa perché c'è una corrente che circola nel piano di massa che potrebbe disturbare qualche segnale analogico da qualche parte. L'idea qui è che si trasforma una parte del piano di massa in una piccola isola e la si collega in un solo punto. In quasi tutti i casi che ho visto, qualcuno sta assumendo l'esistenza di qualche tipo di problema magico perché le correnti stanno circolando nel piano di massa. In realtà, ogni volta che ho visto qualcuno tagliare un piano di massa, hanno creato un problema di EMI."

Quindi, una volta eliminati tutti i dati errati che continuano a circolare riguardo la divisione del piano di massa, la discussione si sposta sui piani di alimentazione, e ci sono motivi legittimi per dividerli. Questi motivi e i modi per implementarli sono dettagliati di seguito.

Distribuzione di Due Tensioni di Alimentazione del Piano di Design nella Stessa Strato del PCB

Esiste solo una ragione per cui dividere un piano, ed è quella di farlo in un piano di alimentazione quando si hanno due o più Vdd nello stesso piano. In verità, l'elettronica moderna non esisterebbe senza questa capacità. Prima di tutto, bisogna assicurarsi che l'impedenza dei Vdd che si trovano sui lati opposti della divisione sia molto bassa (milliohm), in modo che l'integrità della fornitura di energia sia buona per tutte le tensioni. La bassa impedenza di ciascuno dei Vdd, tra ogni Vdd e il piano di terra, è il percorso AC attraverso il divario. Inoltre, va notato che questo divario non deve mai essere più largo di 10 mils (0,254mm).

Per illustrare quanto detto, la Figura 1 mostra un PCB di test con tracce nello strato microstrip sepolto (strato 2) che attraversano il piano nello strato 3.

Figura 1. PCB di Test Con Tracce Che Attraversano Divisioni del Piano

La Figura 2 è la sezione trasversale del piano di alimentazione diviso sotto una traccia. Sono mostrate sia le correnti in uscita che di ritorno con delle frecce.

Figura 2. Vista Laterale di una Traccia Che Attraversa un Piano Diviso nel PCB con Frecce per Mostrare la Corrente

Nota: Nell'angolo in alto a sinistra di questo diagramma è presente una tabella che mostra la reattanza capacitiva di tre condensatori di dimensioni diverse in funzione della frequenza. I condensatori da 1 nF e 10 nF, comunemente utilizzati come condensatori di disaccoppiamento discreti, anche singolarmente, producono un'impedenza relativamente bassa. Quando i sistemi di alimentazione sono progettati correttamente, verrà utilizzata una combinazione dei condensatori discreti e della capacitanza del piano, risultando in un'impedenza pari o inferiore a 10 milliohm tra Vdd e terra da DC fino a un gigahertz o più. Questo effettivamente "corta" i piani di alimentazione al piano sottostante a tutte le frequenze di interesse. La corrente di ritorno ha un percorso AC intorno al taglio del piano e non è visibile al segnale.

La figura 3 mostra un'onda TDR che dimostra come non ci sia una significativa degradazione a seguito dell'attraversamento dello spacco. L'onda blu rappresenta il segnale che attraversa lo spacco del piano. La piccolissima inflessione verso l'alto nel mezzo dell'onda indica la posizione dello spacco del piano. Questo elimina le preoccupazioni riguardo alla qualità del segnale a causa dei piani di massa divisi. Inoltre, l'EMI non rappresenta un problema di preoccupazione. La traccia menzionata sopra è stata eccitata con un generatore RF e sondata con una sonda a campo vicino collegata a un analizzatore di spettro. Quando la sonda veniva mossa avanti e indietro attraverso lo spacco, non si registrava alcun cambiamento nel livello di energia rilevato.

Figura 3. Onda TDR del Segnale che Attraversa lo Spacco del Piano nella Figura 1

Commenti Aggiuntivi

Rumore in modo comune: Uno degli avvertimenti precedenti parla della divisione di un piano per ridurre il rumore in modo comune. Modo comune significa che ci sono due elementi che hanno qualcosa in comune. Quasi sempre si tratta di una coppia differenziale. Se devi avere del rumore, spererai che sia in modo comune. Questo significa che lo stesso livello di rumore è presente su entrambi i lati e che la coppia differenziale quindi lo ignora. Questa è la definizione di uno sfasamento di terra: è vero rumore in modo comune e non ha nulla a che fare con i piani divisi nel PCB.

Sezioni analogiche e digitali di una scheda: Un altro avvertimento citato sopra collega i tagli del piano alle sezioni analogiche di una scheda. Le divisioni hanno a che fare con la distribuzione di due tensioni di alimentazione nello stesso piano e non con la posizione delle sezioni analogiche o digitali di una scheda.

Riassunto

Similmente ad altri argomenti di progettazione PCB che sono avvolti in misconcezioni e false supposizioni, l'uso delle divisioni del piano è segnato da molte informazioni errate e fuorvianti. Quando si comprende che le divisioni del piano sono limitate alla distribuzione di due tensioni di alimentazione nello stesso piano, diventa molto più semplice integrare i tagli del piano nel processo di progettazione del sistema complessivo e assicurarsi che i PCB funzionino come progettato, al primo tentativo.

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Riferimento

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