Никогда не пересекайте разрыв земляного слоя в дизайне высокоскоростных печатных плат

Я часто просматриваю форумы по электронике и печатным платам и вижу один и тот же вопрос, задаваемый снова и снова: Почему я не должен прокладывать дорожку над разрывом в моей земляной плоскости? Этот вопрос задают все, от любителей до профессиональных дизайнеров, которые только начинают заниматься разработкой печатных плат высокой скорости. Для профессионального инженера по целостности сигналов ответ должен быть очевиден.

Независимо от того, являетесь ли вы опытным инженером по размещению печатных плат или случайным дизайнером, понимание ответа на этот вопрос поможет. Ответ всегда формулируется как утверждение всегда/никогда. Мне не часто нравится давать ответы в абсолютных терминах на вопросы по дизайну печатных плат, но в этом случае ответ ясен: Никогда не прокладывайте сигнал над промежутком в земляной плоскости. Давайте погрузимся в этот вопрос глубже и поймем, почему вы не должны прокладывать дорожку над разрывом в земляной плоскости.

Разрыв земляной плоскости: Дизайн низкой и высокой скорости

Ответ на этот вопрос требует рассмотрения поведения сигналов при постоянном токе, низких и высоких скоростях. Это связано с тем, что каждый тип сигнала будет индуцировать различный путь возврата в этой опорной плоскости. Путь возврата, по которому следуют ваши сигналы, будет иметь некоторые важные эффекты на ЭМИ, генерируемые внутри платы, а также на восприимчивость конкретной схемы к ЭМИ. Чтобы лучше понять, как формируется путь возврата на вашей печатной плате, ознакомьтесь с этой статьей, а также с этим полезным руководством от Франческо Подерико.

Если вы понимаете, как формируется ток возврата на вашей печатной плате, то становится легко видеть, как он влияет на ЭМИ и целостность сигнала. Вот почему это важно — и это связано с маршрутизацией через разрыв земляной плоскости. Петля, образованная током возврата на вашей плате, определяет два важных поведения:

• Восприимчивость к ЭМИ. Петля, созданная питающим и возвратным током в цепи, определяет восприимчивость платы к ЭМИ. Цепь с большой петлей тока будет иметь большую паразитную индуктивность, делая её более восприимчивой к излучаемому ЭМИ.

• Звон при переключении сигналов. Паразитная индуктивность в цепи определяет уровень демпфирования, испытываемого переходным процессом в цепи, когда сигнал переключается между уровнями. В сочетании с паразитной емкостью в вашей цепи эти две величины определяют естественную частоту переходного процесса и частоту затухающих колебаний.

Давайте подробнее рассмотрим постоянный ток, сигналы низкой и высокой скорости:

Постоянный ток/ток

Когда плата работает от постоянного тока, возвратный ток не будет производиться непосредственно под сигнальной дорожкой; он будет следовать прямой линией обратно к точке возврата источника питания. Это означает, что у вас по сути нет контроля над путем возврата, и плата может быть подвержена ЭМП из-за большой паразитной индуктивности. Можно подумать, что, поскольку источник питания не переключается, переходных колебаний не будет, и, следовательно, не имеет значения, если микрополосковая дорожка проложена через разрыв заземляющей плоскости. Хотя колебаний нет, проблема с восприимчивостью к ЭМП все еще остается. Вы должны стремиться к тому, чтобы индуктивность постоянного тока была как можно ниже, и избегание прокладки над разрывом заземляющей плоскости является лучшей идеей для снижения индуктивности петли.

Сигналы низкой скорости

Так же, как и сигналы постоянного тока, путь возврата определяет индуктивность петли в цепи, которая определяет восприимчивость к электромагнитным помехам и демпфирование в переходном процессе. Если индуктивность петли велика, скорость демпфирования будет ниже, и, как и в случае с сигналами постоянного тока, прокладка маршрута через разрыв земляной плоскости увеличивает индуктивность петли, что влияет на целостность сигнала, энергетическую целостность и электромагнитные помехи.

К сожалению, медленные сигналы являются чем-то вроде реликта, и каждая плата, использующая логику TTL и более быструю, будет вести себя как схема высокой скорости. С медленными сигналами (время нарастания обычно десятки нс и медленнее) амплитуда колебаний в конкретной цепи обычно была достаточно низкой, чтобы она оставалась незамеченной. Поэтому, до тех пор, пока сигналы не были проложены через разрыв земляной плоскости, индуктивность петли обычно была достаточно низкой, чтобы предотвратить интенсивные колебания, восприимчивость к электромагнитным помехам и связанные с этим проблемы энергетической целостности (см. ниже).

Сигналы высокой скорости

Если я возьму плату, разработанную для работы на низкой скорости, и буду использовать ее с сигналами высокой скорости, амплитуда колебаний будет больше при данной индуктивности цепи. Опять же, это подчеркивает необходимость поддерживать индуктивность петли на плате как можно меньше. Цель состоит в том, чтобы обеспечить как можно большее демпфирование, чтобы уменьшить амплитуду колебаний в данном соединении. Снова, прокладка маршрута над разрывом земляной плоскости поможет избежать увеличения индуктивности петли. Кроме того, под слоем с сигналами высокой скорости должна быть размещена земляная плоскость, чтобы обеспечить как можно меньшую индуктивность петли на протяжении всего соединения.

Пример возвратного пути для сигнала, проложенного через разрыв земляной плоскости.

Другой способ рассмотрения разрыва земляной плоскости - как разрыв импеданса. Если сигнал проложен через разрыв земляной плоскости, импеданс области над разрывом будет больше, чем импеданс остальной части соединения. Это приводит к отражению сигнала, в дополнение к усугублению проблем с колебаниями, упомянутым выше. Ознакомьтесь с этой статьей из журнала Signal Integrity Journal, чтобы узнать больше об этом аспекте высокоскоростной передачи сигналов через разрыв земляной плоскости.

Все, что было сказано выше о цифровых сигналах, в равной степени относится и к аналоговым сигналам. Упомянутые выше проблемы с переходными сигналами связаны с проблемами энергетической целостности, особенно на платах, использующих компоненты с высоким количеством ворот/выводов. Слои платы должны быть специально разработаны для поддержки компонентов, работающих быстрее, чем TTL (см. ниже).

Шины питания и разрывы в земляной плоскости

Обратите внимание, что мы рассматривали это с точки зрения целостности сигнала, но те же идеи применимы и к энергетической целостности. Так же, как микрополосковые дорожки не должны прокладываться через разрыв в земляной плоскости, также следует избегать прокладки шин питания на поверхностном слое через разрыв в земляной плоскости. Если вы подаете постоянный ток на цифровую интегральную схему, то при переключении между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ схема будет потреблять некоторый ток от источника питания. Это вызовет пульсации напряжения на шине питания.

Этот конкретный переходной процесс в напряжении питания ведет себя как затухающие колебания. Его амплитуда пропорциональна импедансу PDN и обратно пропорциональна уровню затухания в PDN. Так же, как затухание обратно пропорционально индуктивности петли в стандартном соединении печатной платы, то же самое относится и к переходному процессу в PDN. Это означает, что вы можете снизить переходной процесс на линии питания, если поддерживать малую индуктивность петли. Лучший способ сделать это - разместить земляную плоскость на слое, непосредственно смежном с плоскостью питания, и избегать прокладки любых линий питания через любой разрыв земляной плоскости.

Если вы работаете с двухслойной платой и у вас нет места для заземляющих плоскостей, вам следует тщательно спланировать пути возврата на вашей плате, чтобы сделать индуктивность петли маленькой. Одним из вариантов является использование сетчатого расположения заземляющих областей на верхнем и нижнем слоях и соединение их через переходные отверстия (виас). Однако, если вы работаете с высокоскоростными сигналами (TTL и быстрее), вы увидите большие колебания напряжения на шинах питания из-за недостаточной емкости в PDN. Это основная причина, по которой плоскости питания и заземления размещаются на смежных слоях в высокоскоростных платах, а заземляющая плоскость располагается непосредственно под слоем сигналов/компонентов.

Мощные инструменты для проектирования и анализа печатных плат в Altium Designer^® построены на основе единой системы управления правилами, позволяя вам проверять производительность вашей платы по мере создания вашего макета. У вас также будет полный набор инструментов для анализа целостности сигнала и подготовки документации для вашего производителя.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.