分割プレーン—良い点、悪い点、そして醜い点

プレーンを分割する、またはプレーンカットを行うことは、多くの矛盾する情報がある技術的な問題の一つです。パワープレーンを分割することは良いことだと言う人もいれば、グラウンドプレーンとパワープレーンの両方を分割できると言う人もいれば、パワープレーンにのみカットを入れるべきだと言う人もいれば、プレーンカットを完全に避けるべきだと言う人もいます。この記事では、分割プレーンに関する神話を暴き、それらが有用である場合とそうでない場合についての証拠を提供し、説明します。

真実、噂、誤解

上記のように、プレーンを分割する、またはプレーンカットを行うことは、多くの誤情報と混乱に悩まされるトピックエリアの一つです。以下は、トピック全体を混乱させ、製品開発者に不利益をもたらす、よくあるコメントの一部です。特に、「反分割」警告は、どこに配置すべきか、なぜそれを行うべきか、どのような害を及ぼすかについて、いくらか無作為にされていることに注意すべきです。それらには以下のようなものが含まれます：

• 分割されたグラウンドプレーンまたはパワープレーンを横切る信号は望ましくありません。スイッチングレートが高いほど、影響は悪化します。”

• トレースがスプリットプレーンを横切るのは、インダクタンスが増加し、リターン電流の経路が複雑になるため悪いです。

• アナログ側の共通モードノイズを減らすためにグラウンドプレーンを分割します 。

• 基板をアナログ部分とデジタル部分に分けて配置します。

• アナログセクションを隔離する場合、スプリットプレーンが必要です。

• スプリット電源プレーンを横切ることは、クロストークのリスクが増加し、EMC要件を満たさない可能性があるため、絶対に行ってはいけません。

簡単にするために、上記のすべてを否定し、それらが真実ではないと言うことができます。しかし、おそらく最も重要な教訓は、グラウンドプレーンを決して、絶対に分割してはいけないということです。もしそうすると、PDSの整合性を破壊してしまいます。

Lee Ritchey（Speeding Edgeの創設者兼社長）は次のように述べています。「自称EMIの専門家が、アナログ信号に何らかの影響を与える地面平面内の循環電流のために、グラウンドプレーンを切断することを提唱しています。ここでの考え方は、グラウンドプレーンの一部を小さな島に変えて、一か所に接続するというものです。私が見たほとんどのケースでは、誰かがグラウンドプレーン内で電流が循環しているために、何らかの魔法のような問題が存在すると仮定しています。実際には、私がグラウンドプレーンを切断した人を見たたびに、彼らはEMIの問題を作り出していました。」

したがって、グラウンド分割に関する誤ったデータをすべて排除した後、議論は電源プレーンに移り、それらを分割する正当な理由があります。それらの理由と実装方法は以下に詳述されています。

同じPCB層内の二つの電源供給設計プレーン電圧の分布

プレーンを分割する唯一の理由は、同じプレーン内に2つ以上のVddがある場合に、電源プレーンでそれを行うことです。実際、この能力がなければ、現代の電子機器は存在しませんでした。まず、分割された側のVddのインピーダンスが非常に低い（ミリオーム）ことを確認する必要があります。これにより、すべての電圧に対して電力供給の整合性が良好になります。各Vddの低インピーダンス、各Vddとグラウンドプレーンとの間は、ギャップを越えるACパスです。また、このギャップは10ミル（0.254mm）よりも広くする必要は決してないことに注意すべきです。

前述のことを説明するために、図1は、層3のプレーンを横切る埋め込みマイクロストリップ層（層2）のトレースを持つテストPCBです。

図1. プレーン分割を横切るトレースを持つテストPCB

図2は、トレースの下にある分割電源プレーンの断面図です。出力電流と戻り電流が矢印で示されています。

図2. PCB内の分割プレーンを横切るトレースの側面図、電流を示す矢印付き

注: この図の左上隅にある表は、周波数の関数として3つの異なるサイズのキャパシタの容量性リアクタンスを示しています。1 nFおよび10 nFのキャパシタは、離散的なデカップリングキャパシタとして一般的に使用され、たとえ一つずつ使用されても、比較的低いインピーダンスを生み出します。電力供給システムが正しく設計されている場合、離散キャパシタと平面キャパシタンスの組み合わせが使用され、これによりVddとグラウンドの間のインピーダンスがDCからギガヘルツ以上にわたって10ミリオーム以下になります。これは、興味のあるすべての周波数で電力平面を基礎平面に「ショート」させる効果があります。リターン電流は平面カットの周りにACパスを持ち、信号には見えません。

図3は、分割を横切っても顕著な劣化がないことを示すTDR波形です。青い波形は、プレーン分割を横切る信号です。波形の中央にある非常に小さな上向きの屈折は、プレーン分割の位置です。これにより、分割グラウンドプレーンの結果としての信号品質に関する心配がなくなります。さらに、EMIも懸念の問題ではありません。上記のトレースは、RFジェネレータで励起され、スペクトラムアナライザに接続された近接場プローブで探査されました。プローブを分割を横切って前後に動かしたとき、検出されたエネルギーのレベルに変化はありませんでした。

図3. 図1におけるプレーン分割を横切る信号のTDR波形

追加コメント

コモンモードノイズ：上記の警告の一つに、コモンモードノイズを減らすためにプレーンを分割することについて述べられています。コモンモードとは、共通点を持つ二つの項目があることを意味します。ほとんどの場合、これは差動ペアです。ノイズが発生する場合、それがコモンモードであることを望みます。これは、両側に同じ大きさのノイズがあり、その差動ペアがそれを無視することを意味します。これはグラウンドオフセットの定義であり、真のコモンモードノイズであり、PCB内のプレーンの分割とは何の関係もありません。

ボードのアナログ部分とデジタル部分：上記で引用された別の警告は、プレーンの切断をボードのアナログ部分に関連付けています。分割は、同じプレーン内で二つの電源電圧の分布に関係しており、ボードのアナログ部分やデジタル部分の位置とは関係ありません。

要約

PCB設計の他のトピックと同様に、誤解と誤った前提に包まれているプレーン分割の使用は、多くの誤情報と誤方向によって特徴づけられています。プレーン分割が同じプレーン内の二つの電源電圧の分布に限定されていることが理解されると、プレーンの切断を全体的なシステム設計プロセスに簡単に組み込み、PCBが設計通りに初めて動作することを保証することがずっと容易になります。

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参考文献

1. リッチー、リー・W.とザシオ、ジョン・J.、「最初から正しく、高速PCBおよびシステム設計の実用ハンドブック、第2巻。」