Podział płaszczyzn — Dobry, zły i brzydki

Podział płaszczyzn lub wykonywanie cięć w płaszczyznach to kolejny z tych technicznych problemów, w których istnieje wiele sprzecznych informacji. Niektórzy twierdzą, że dzielenie płaszczyzn zasilania jest dobrym rozwiązaniem; inni mówią, że można dzielić zarówno płaszczyzny uziemienia, jak i zasilania, jeszcze inni sugerują, że cięcia należy wykonywać tylko w płaszczyznach zasilania, a jeszcze inni radzą unikać cięć płaszczyzn w ogóle. Ten artykuł obali mity dotyczące dzielonych płaszczyzn, przedstawi dowody na to, kiedy są one użyteczne, oraz opisze, kiedy nie powinny być wykonywane.

Prawdy, plotki i nieporozumienia

Jak wspomniano powyżej, dzielenie płaszczyzn lub wykonywanie cięć w płaszczyznach to jedna z tych dziedzin, która obarczona jest wieloma błędnymi informacjami i zamieszaniem. Oto niektóre z częściej powtarzanych komentarzy, które wprowadzają zamieszanie w cały temat i szkodzą twórcom produktów. Należy zauważyć, że ostrzeżenia przed dzieleniem są w pewnym sensie losowe pod względem tego, gdzie powinny być umieszczone, dlaczego powinny być wykonane i jakie mogą przynieść szkody. Obejmują one:

• Każdy sygnał, który przekracza dzieloną płaszczyznę uziemienia lub zasilania jest niepożądany. Im wyższa częstotliwość przełączania, tym gorsze będą efekty.”

• Przekraczanie podzielonej płaszczyzny za pomocą ścieżki jest złe, ponieważ zwiększa indukcyjność i komplikuje ścieżkę dla prądu powrotnego.

• „Dzieli się płaszczyzny masowe, aby zmniejszyć wspólny trybszumów po stronie analogowej “

• „Umieść swoją płytę w oddzielnych sekcjach analogowych i cyfrowych.”

• „Jeśli izolujesz swoje sekcje analogowe, potrzebujesz podzielonych płaszczyzn.”

• „Przekraczanie podzielonej płaszczyzny zasilania nigdy nie powinno mieć miejsca z powodu zwiększonego ryzyka przebicia sygnałów i niespełnienia wymagań EMC.”

Aby ułatwić sprawę, możemy łatwo obalić wszystkie powyższe twierdzenia i powiedzieć, że nie są prawdziwe. Ale być może jednym z najważniejszych wniosków jest to, że NIGDY, PRZENIGDY nie należy dzielić płaszczyzn masowych. Jeśli to zrobisz, zniszczysz integralność twojego PDS.

Lee Ritchey, założyciel i prezes Speeding Edge, zauważa: „Istnieją samozwańczy guru EMI, którzy opowiadają się za przecięciem płaszczyzny masy, ponieważ w płaszczyźnie masy krąży prąd, który może zakłócić jakiś sygnał analogowy gdzieś indziej. Pomysł polega na tym, że zamieniasz fragment płaszczyzny masy w małą wyspę i łączysz ją w jednym miejscu. W prawie każdym przypadku, który widziałem, ktoś zakłada, że istnieje jakiś magiczny problem, ponieważ prądy krążą w płaszczyźnie masy. W rzeczywistości, za każdym razem, gdy widziałem, jak ktoś przecina płaszczyznę masy, tworzył problem EMI.”

Więc, gdy już wyeliminujemy wszystkie złe dane, które nadal krążą na temat dzielenia masy, dyskusja przenosi się na płaszczyzny zasilania, i istnieją uzasadnione powody dla ich dzielenia. Te powody oraz sposoby ich implementacji są szczegółowo opisane poniżej.

Rozdział napięć dwóch płaszczyzn zasilania w tej samej warstwie PCB

Istnieje tylko jeden powód, dla którego dzieli się płaszczyznę, a mianowicie wykonuje się to w płaszczyźnie zasilania, gdy w tej samej płaszczyźnie znajdują się dwa lub więcej Vdd. Prawdę mówiąc, nowoczesna elektronika nie mogłaby istnieć bez tej możliwości. Po pierwsze, musisz być pewien, że impedancja Vdd znajdujących się po przeciwnych stronach podziału jest bardzo niska (miliohmy), tak aby integralność dostarczania energii była dobra dla wszystkich napięć. Niska impedancja każdego z Vdd, pomiędzy każdym Vdd a płaszczyzną masy, jest ścieżką AC przez szczelinę. Należy również zauważyć, że ta szczelina nigdy nie musi być szersza niż 10 mils (0,254 mm).

Aby zilustrować powyższe, Rysunek 1 przedstawia testową płytę PCB z ścieżkami w zakopanej warstwie mikropaskowej (warstwa 2), które przecinają płaszczyznę w warstwie 3.

Rysunek 1. Testowa płyta PCB ze ścieżkami przecinającymi podziały płaszczyzny

Rysunek 2 to przekrój poprzeczny podzielonej płaszczyzny zasilania pod ścieżką. Strzałki pokazują prądy wychodzące i powrotne.

Rysunek 2. Widok boczny ścieżki przecinającej podzieloną płaszczyznę w PCB ze strzałkami wskazującymi prąd

Uwaga: W lewym górnym rogu tego schematu znajduje się tabela pokazująca reaktancję pojemnościową trzech różnych kondensatorów w zależności od częstotliwości. Kondensatory o pojemności 1 nF i 10 nF, powszechnie używane jako dyskretne kondensatory do sprzęgania, nawet pojedynczo, generują stosunkowo niską impedancję. Gdy systemy dostarczania energii są projektowane prawidłowo, używa się kombinacji dyskretnych kondensatorów i pojemności płyt, co skutkuje impedancją na poziomie 10 miliohmów lub niższą między Vdd a masą od prądu stałego do gigaherca lub więcej. Efektywnie "zwiera" to płaszczyzny zasilające z leżącą pod nimi płaszczyzną na wszystkich interesujących częstotliwościach. Prąd zwrotny ma ścieżkę AC wokół przecięcia płaszczyzny i nie jest widoczny dla sygnału.

Rysunek 3 przedstawia przebieg TDR, pokazujący, że nie ma znaczącego pogorszenia jakości sygnału w wyniku przekroczenia podziału. Niebieski przebieg to sygnał przekraczający podział płaszczyzny. Bardzo małe odchylenie w górę na środku przebiegu wskazuje miejsce podziału płaszczyzny. To eliminuje obawy dotyczące jakości sygnału w wyniku podziału płaszczyzn uziemienia. Ponadto, EMI nie stanowi problemu. Ślad, o którym wspomniano powyżej, został pobudzony generatorem RF i zbadany za pomocą sondy bliskiego pola podłączonej do analizatora widma. Gdy sonda była przesuwana w tę i z powrotem przez podział, nie zaobserwowano zmiany w poziomie wykrywanej energii.

Rysunek 3. Przebieg TDR sygnału przekraczającego podział płaszczyzny na Rysunku 1

Dodatkowe uwagi

Szum wspólny: Jedno z wcześniejszych ostrzeżeń mówi o dzieleniu płaszczyzny w celu redukcji szumu wspólnego. Wspólny oznacza, że są dwa elementy mające coś wspólnego. Prawie zawsze chodzi o parę różnicową. Jeśli występuje szum, najlepiej, aby był to szum wspólny. Oznacza to, że szum tej samej wielkości występuje po obu stronach i para różnicowa go ignoruje. To jest definicja przesunięcia względem masy – to prawdziwy szum wspólny i nie ma nic wspólnego z dzieleniem płaszczyzn w PCB.

Sekcje analogowe i cyfrowe płytki: Kolejne ostrzeżenie powyżej łączy cięcia płaszczyzn z sekcjami analogowymi płytki. Podziały mają związek z dystrybucją dwóch napięć zasilających na tej samej płaszczyźnie, a nie z lokalizacją sekcji analogowych lub cyfrowych płytki.

Podsumowanie

Podobnie jak w przypadku innych tematów projektowania PCB, które są otoczone nieporozumieniami i fałszywymi założeniami, stosowanie podziałów płaszczyzn charakteryzuje się dużą ilością dezinformacji i wprowadzania w błąd. Gdy zrozumie się, że podziały płaszczyzn ograniczają się do dystrybucji dwóch napięć zasilających na tej samej płaszczyźnie, znacznie łatwiej jest uwzględnić cięcia płaszczyzn w całym procesie projektowania systemu i zapewnić, że PCB będą działać zgodnie z założeniami za pierwszym razem.

Dowiedz się więcej o zaawansowanym trasowaniu i weryfikacji płaszczyzn zasilania i masy w ścieżkach układu PCB z Altium Designer^®. Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta z Altium.

Źródło

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