Nigdy nie przekraczaj przerwy w płaszczyźnie masy w projektowaniu PCB wysokiej prędkości

Często przeglądam fora poświęcone elektronice i PCB, i widzę, że ciągle pojawia się to samo pytanie: Dlaczego nie powinienem prowadzić ścieżki nad rozdzielonym płatem masy? To pytanie zadają wszyscy - od twórców po profesjonalnych projektantów, którzy dopiero zaczynają przygodę z projektowaniem PCB wysokiej prędkości. Dla profesjonalnego inżyniera zajmującego się integralnością sygnału, odpowiedź powinna być oczywista.

Niezależnie od tego, czy jesteś doświadczonym inżynierem układów PCB, czy okazjonalnym projektantem, warto zrozumieć odpowiedź na to pytanie. Odpowiedź zawsze przedstawiana jest w formie stwierdzenia zawsze/nigdy. Nie lubię często udzielać odpowiedzi w absolutnych kategoriach na pytania dotyczące projektowania PCB, ale w tym przypadku odpowiedź jest jasna: Nigdy nie prowadź sygnału nad przerwą w płycie masy. Przyjrzyjmy się temu bliżej i zrozummy, dlaczego nie należy prowadzić ścieżki nad przerwą w płycie masy.

Przerwa w płycie masy: Projektowanie niskiej i wysokiej prędkości

Odpowiedź na to pytanie wymaga rozważenia, jak sygnały zachowują się przy prądzie stałym, niskich i wysokich prędkościach. Wynika to z faktu, że każdy typ sygnału wywoła inny ścieżkę zwrotną w tej płaszczyźnie odniesienia. Ścieżka zwrotna, którą będą podążać twoje sygnały, będzie miała kilka ważnych skutków dla EMI generowanego wewnątrz płytki, jak również dla podatności określonego obwodu na EMI. Aby lepiej zrozumieć, jak kształtuje się ścieżka zwrotna w twojej płytce PCB, zapoznaj się z tym artykułem, a także z przydatnym przewodnikiem autorstwa Francesco Poderico.

Jeśli zrozumiesz, jak formuje się prąd zwrotny w twojej płytce PCB, stanie się łatwo zobaczyć, jak wpływa to na EMI i integralność sygnału. Oto dlaczego jest to ważne — i dotyczy to prowadzenia nad przerwą w płaszczyźnie masy. Pętla utworzona przez prąd zwrotny na twojej płytce określa dwa ważne zachowania:

• Podatność na EMI. Pętla utworzona przez prąd zasilający i zwrotny w obwodzie określa podatność płytki na EMI. Obwód z dużą pętlą prądową będzie miał większą indukcyjność pasożytniczą, co czyni go bardziej podatnym na promieniowane EMI.

• Dzwonienie w sygnałach przełączających. Pasożytnicza indukcyjność w obwodzie określa poziom tłumienia doświadczanego przez odpowiedź przelotową w obwodzie, gdy sygnał przełącza się między poziomami. Biorąc pod uwagę obok pasożytniczej pojemności w obwodzie, obie wielkości określają naturalną częstotliwość odpowiedzi przelotowej oraz częstotliwość tłumionych oscylacji.

Spójrzmy szczegółowo na sygnały DC, niskiej i wysokiej prędkości:

Napięcie/Prąd stały DC

Kiedy płyta działa na zasilaniu DC, prąd zwrotny nie będzie wytwarzany bezpośrednio pod ścieżką sygnałową; będzie podążał prostą linią z powrotem do punktu zwrotnego zasilania. Oznacza to, że w zasadzie nie masz kontroli nad ścieżką zwrotną, a płyta może być podatna na EMI z powodu dużej pasożytniczej indukcyjności. Mogłoby się wydawać, że ponieważ zasilanie nie przełącza się, nie będzie żadnej oscylacji przelotowej, więc nie ma znaczenia, czy ścieżka mikropaska jest prowadzona nad przerwą w płaszczyźnie masy. Chociaż oscylacji nie ma, nadal istnieje problem podatności na EMI. Powinieneś starać się utrzymać indukcyjność pętli DC na jak najniższym poziomie, a unikanie prowadzenia nad przerwą w płaszczyźnie masy jest najlepszym pomysłem, aby zmniejszyć indukcyjność pętli.

Sygnały niskiej prędkości

Podobnie jak w przypadku sygnałów DC, ścieżka powrotna określa indukcyjność pętli w obwodzie, która determinuje podatność na EMI oraz tłumienie w odpowiedzi przejściowej. Jeśli indukcyjność pętli jest duża, szybkość tłumienia będzie niższa i, tak jak miało to miejsce w przypadku sygnałów DC, prowadzenie sygnału nad przerwą w płaszczyźnie masy zwiększa indukcyjność pętli, co wpływa na integralność sygnału, integralność zasilania i EMI.

Niestety, sygnały o niskiej prędkości są pewnego rodzaju reliktami, a każda płyta korzystająca z logiki TTL i szybszej będzie zachowywać się jak obwód wysokiej prędkości. W przypadku sygnałów o niskiej prędkości (ogólnie czas narastania 10 ns i wolniejsze), amplituda dzwonienia w danym obwodzie była zazwyczaj na tyle niska, że pozostawała niezauważona. Dlatego, dopóki sygnały nie były prowadzone nad przerwą w płaszczyźnie masy, indukcyjność pętli była zazwyczaj wystarczająco niska, aby zapobiec intensywnemu dzwonieniu, podatności na EMI i związanych z tym problemom z integralnością zasilania (patrz poniżej).

Sygnały wysokiej prędkości

Jeśli wezmę płytę zaprojektowaną do pracy z niską prędkością i będę ją obsługiwał sygnałami o wysokiej prędkości, amplituda drgań będzie większa dla danej pętli obwodu indukcyjności. Ponownie, ilustruje to potrzebę utrzymania jak najmniejszej indukcyjności pętli na płycie. Celem jest zapewnienie jak największego tłumienia w celu zmniejszenia amplitudy drgań w danym połączeniu. Ponownie, prowadzenie ścieżki nad przerwą w płaszczyźnie masy zapobiegnie zwiększeniu indukcyjności pętli. Dodatkowo, pod warstwą sygnałową przenoszącą obwody o wysokiej prędkości powinna być umieszczona płaszczyzna masy, aby zapewnić, że indukcyjność pętli jest jak najmniejsza na całej długości połączenia.

Przykładowa ścieżka powrotna dla sygnału prowadzonego nad przerwą w płaszczyźnie masy.

Inny sposób na spojrzenie na przerwę w płaszczyźnie masy to jako na nieciągłość impedancji. Jeśli sygnał jest prowadzony nad przerwą w płaszczyźnie masy, impedancja regionu nad przerwą będzie większa niż impedancja pozostałej części połączenia. Prowadzi to do odbicia sygnału, oprócz wymienionych powyżej problemów z nasilonymi drganiami. Zapoznaj się z tym artykułem z Signal Integrity Journal, aby dowiedzieć się więcej na temat tego aspektu sygnałów o wysokiej prędkości nad przerwą w płaszczyźnie masy.

Wszystko, co zostało wspomniane powyżej odnośnie sygnałów cyfrowych, równie dobrze odnosi się do sygnałów analogowych. Wspomniane problemy z sygnałami przejściowymi są związane z problemami integralności zasilania, szczególnie na płytach wykorzystujących komponenty o wysokiej liczbie bramek/pinów. Układ warstw powinien być specjalnie zaprojektowany do obsługi komponentów szybszych niż TTL (patrz poniżej).

Szlaki zasilające i przerwy w płaszczyźnie masy

Zauważ, że rozpatrzyliśmy to w kontekście integralności sygnału, ale te same pomysły dotyczą integralności zasilania. Tak jak ścieżki mikropaskowe nie powinny być prowadzone przez przerwę w płaszczyźnie masy, tak samo należy unikać prowadzenia szlaków zasilających na warstwie powierzchniowej przez przerwę w płaszczyźnie masy. Jeśli dostarczasz zasilanie stałoprądowe do cyfrowego układu scalonego, układ ten będzie pobierał pewien prąd z zasilacza, gdy przełącza się między stanami WŁ i WYŁ. Spowoduje to pojawienie się tętnień napięcia na szynie zasilającej.

Szczególna odpowiedź przejściowa w napięciu zasilania zachowuje się jak tłumione drgania. Jej amplituda jest proporcjonalna do impedancji PDN i jest odwrotnie proporcjonalna do poziomu tłumienia w PDN. Podobnie jak tłumienie jest odwrotnie proporcjonalne do indukcyjności pętli w standardowym połączeniu międzywarstwowym PCB, to samo dotyczy odpowiedzi przejściowej w PDN. Oznacza to, że możesz tłumić odpowiedź przejściową na szynie zasilania, jeśli utrzymasz małą indukcyjność pętli. Najlepszym sposobem na to jest umieszczenie płaszczyzny masy na warstwie bezpośrednio przylegającej do płaszczyzny zasilania i unikanie prowadzenia jakichkolwiek szyn zasilających nad jakąkolwiek przerwą w płaszczyźnie masy.

Jeśli pracujesz nad dwuwarstwową płytą i nie masz miejsca na płaszczyzny masy, powinieneś starannie zaplanować ścieżki powrotne na swojej płycie, aby utrzymać małą indukcyjność pętli. Jedną z opcji jest użycie siatkowego układu regionów masy na górnej i dolnej warstwie oraz połączenie ich za pomocą przelotek. Jednakże, jeśli pracujesz z sygnałami wysokiej prędkości (TTL i szybszymi), zobaczysz duże wahania napięcia na szynach zasilających z powodu niewystarczającej pojemności w PDN. Jest to główny powód, dla którego płaszczyzny zasilania i masy są umieszczane na przyległych warstwach w płytach wysokiej prędkości, a płaszczyzna masy jest umieszczona bezpośrednio pod warstwą sygnału/komponentu.

Mocne narzędzia do projektowania i analizy PCB w Altium Designer^® są zbudowane na bazie zintegrowanego silnika projektowania opartego na regułach, co pozwala sprawdzać wydajność twojej płyty podczas tworzenia układu. Będziesz miał również kompletny zestaw narzędzi do analizy integralności sygnału i przygotowywania materiałów dla twojego producenta.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.