Dividindo Planos - O Bom, o Mau e o Feio

Dividir planos ou fazer cortes em planos é outro desses assuntos técnicos onde há muita informação conflitante. Alguns dizem que é bom dividir planos de alimentação; outros dizem que você pode dividir tanto os planos de terra quanto os de alimentação, alguns dizem que você deve fazer cortes apenas nos planos de alimentação, e outros dizem para evitar cortes nos planos completamente. Este artigo irá desmascarar os mitos sobre planos divididos, fornecer evidências de quando eles são úteis e descrever quando eles não devem ser feitos.

Verdades, rumores e equívocos

Como mencionado acima, dividir planos ou fazer cortes em planos é uma dessas áreas temáticas que está repleta de muita desinformação e confusão. A seguir estão alguns dos comentários mais frequentemente feitos, que servem para confundir o tópico como um todo e prejudicam os desenvolvedores de produtos. Deve-se notar que os avisos "anti-divisão" são um tanto aleatórios em termos de onde devem ser colocados, por que devem ser feitos e que dano podem causar. Eles incluem:

• Qualquer sinal que cruze no plano de terra dividido ou no plano de alimentação é indesejável. Quanto maior a taxa de comutação, piores serão os efeitos.”

• “Atravessar um plano dividido com uma trilha é ruim porque aumenta a indutância e complica o caminho para a corrente de retorno.”

• “Você divide planos de terra para reduzir o ruído de modo comum no seu lado analógico” “

• “Posicione sua placa em seções analógicas e digitais separadas.”

• “Se você isolar suas seções analógicas, você precisa de planos divididos.”

• “Atravessar um plano de alimentação dividido nunca deve ser feito devido ao aumento do risco de diafonia e por não atender aos requisitos de EMC.”

Para facilitar, podemos facilmente desmascarar tudo o que foi dito anteriormente e dizer que não é verdade. Mas, talvez uma das lições mais importantes seja que você NUNCA, JAMAIS deve dividir planos de terra. Se fizer isso, você destruirá a integridade do seu PDS.

Lee Ritchey, fundador e presidente da Speeding Edge, observa, "Existem autoproclamados gurus de EMI que defendem o corte do plano de terra porque há uma corrente circulando no plano de terra que perturbará algum sinal analógico em algum lugar. A ideia aqui é que você transforma uma parte do plano de terra em uma pequena ilha e a conecta em um único lugar. Em quase todos os casos que vi, alguém está assumindo que algum tipo de problema mágico existe porque as correntes estão circulando no plano de terra. Na realidade, toda vez que vi alguém cortar um plano de terra, eles criaram um problema de EMI."

Portanto, uma vez que eliminamos todos os dados ruins que continuam a circular sobre a divisão de terra, a discussão se move para os planos de energia, e existem razões legítimas para dividi-los. Essas razões e as maneiras de implementá-las estão detalhadas abaixo.

Distribuição de Duas Tensões de Design de Suprimento de Energia na Mesma Camada de PCB

Existe apenas uma razão para dividir um plano, e isso é feito em um plano de alimentação quando você tem dois ou mais Vdds no mesmo plano. Na verdade, a eletrônica moderna não existiria sem essa capacidade. Primeiro, você precisa ter certeza de que a impedância dos Vdds que estão em lados opostos da divisão é muito baixa (miliohms), para que a integridade da entrega de energia seja boa para todas as tensões. A baixa impedância de cada um dos Vdds, entre cada Vdd e o plano de terra, é o caminho AC através do intervalo. Também deve ser notado que esse intervalo nunca precisa ser mais largo do que 10 mils (0,254mm).

Para ilustrar o exposto, a Figura 1 é uma PCB de teste com trilhas na camada microstrip enterrada (camada 2) que cruzam o plano na camada 3.

Figura 1. PCB de Teste Com Trilhas Cruzando Divisões de Plano

Figura 2 é a seção transversal do plano de alimentação dividido sob uma trilha. Tanto as correntes de saída quanto as de retorno são mostradas com setas.

Figura 2. Vista Lateral de Trilha Cruzando um Plano Dividido em PCB com Setas para Mostrar Corrente

Nota: No canto superior esquerdo deste diagrama, há uma tabela mostrando a reatância capacitiva de três capacitores de diferentes tamanhos como função da frequência. Os capacitores de 1 nF e 10 nF, comumente usados para capacitores de desacoplamento discretos, mesmo que um de cada vez, produzem uma impedância relativamente baixa. Quando os sistemas de entrega de energia são projetados corretamente, uma combinação dos capacitores discretos e da capacitância do plano será usada, o que resulta na impedância em ou abaixo de 10 miliohms entre Vdd e terra, de DC até um gigahertz ou mais. Isso efetivamente "curto-circuita" os planos de energia para o plano subjacente em todas as frequências de interesse. A corrente de retorno tem um caminho AC ao redor do corte do plano e não é visível para o sinal.

A Figura 3 é uma forma de onda TDR mostrando que não há degradação significativa como resultado da travessia do corte. A forma de onda azul é o sinal cruzando o corte do plano. A pequena inflexão para cima no meio da forma de onda é a localização do corte do plano. Isso elimina a preocupação sobre a qualidade do sinal como resultado de planos de terra divididos. Além disso, a EMI não é uma questão de preocupação. O traço mencionado acima foi excitado com um gerador de RF e sondado com uma sonda de campo próximo acoplada a um analisador de espectro. Quando a sonda foi movida para frente e para trás através do corte, não houve mudança no nível de energia que foi detectado.

Figura 3. Forma de Onda TDR do Sinal Cruzando o Corte do Plano na Figura 1

Comentários Adicionais

Ruído de modo comum: Um dos avisos anteriores menciona a divisão de um plano para reduzir o ruído de modo comum. Modo comum significa que existem dois itens que têm algo em comum. Quase sempre, isso se refere a um par diferencial. Se você vai ter ruído, vai esperar que seja o ruído de modo comum. Isso significa que o mesmo tamanho de ruído está em ambos os lados e que o par diferencial então ignora isso. Esta é a definição de um deslocamento de terra — é verdadeiro ruído de modo comum e não tem nada a ver com planos divididos em PCB.

Seções analógicas e digitais de uma placa: Outro aviso citado acima relaciona cortes de plano às seções analógicas de uma placa. Divisões têm a ver com a distribuição de duas tensões de fornecimento de energia no mesmo plano e não a localização das seções analógicas ou digitais de uma placa.

Resumo

Similar a outros tópicos de design de PCB que estão envoltos em concepções errôneas e falsas suposições, o uso de cortes de plano é marcado por muitas informações erradas e desorientação. Quando se entende que cortes de plano são limitados à distribuição de duas tensões de fornecimento de energia no mesmo plano, torna-se muito mais fácil incorporar cortes de plano no processo de design do sistema geral e garantir que os PCBs funcionarão conforme projetado, na primeira tentativa.

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Referência

1. Ritchey, Lee W. e Zasio, John J., “Right The First Time, Um Manual Prático sobre Design de PCB e Sistema de Alta Velocidade, Volume 2.”