Разделение плоскостей — хорошее, плохое и ужасное

Kella Knack
|  Создано: 3 Декабря, 2019  |  Обновлено: 14 Мая, 2020

Разделение плоскостей или выполнение разрезов плоскостей - это еще один из технических вопросов, по которым существует много противоречивой информации. Некоторые говорят, что разделение питающих плоскостей полезно; другие утверждают, что можно разделять как земляные, так и питающие плоскости; некоторые советуют делать разрезы только в питающих плоскостях, в то время как другие рекомендуют избегать разрезов плоскостей вообще. Эта статья развеет мифы, связанные с разделенными плоскостями, предоставит доказательства, когда они полезны, и опишет случаи, когда их делать не следует.

Правда, слухи и заблуждения

Как отмечено выше, разделение плоскостей или выполнение разрезов плоскостей - это одна из тем, которая страдает от большого количества дезинформации и путаницы. Ниже приведены некоторые из наиболее часто встречающихся комментариев, которые только вносят путаницу в тему в целом и оказывают медвежью услугу разработчикам продуктов. Следует отметить, что предупреждения против разделения плоскостей распределены довольно случайным образом с точки зрения того, где они должны быть размещены, почему это должно быть сделано и какой вред они могут принести. Сюда входят:

  • Любой сигнал, пересекающий разделенную земляную плоскость или питающую плоскость, нежелателен. Чем выше скорость переключения, тем хуже будут последствия.”

  • Пересечение трассой разделённой плоскости плохо, потому что это увеличивает индуктивность и усложняет путь для возвратного тока.

  • Разделение земляных плоскостей необходимо для уменьшения общемодовых помех на аналоговой стороне 

  • Размещайте вашу плату на отдельные аналоговые и цифровые секции.

  • Если вы изолируете аналоговые секции, вам нужны разделённые плоскости.

  • Пересечение разделённой питающей плоскости никогда не должно происходить из-за повышенного риска перекрёстных помех и невыполнения требований EMC.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Чтобы упростить, мы можем опровергнуть все вышесказанное и сказать, что это не так. Но, возможно, одним из самых важных выводов является то, что вы НИКОГДА и НИ ПРИ КАКИХ УСЛОВИЯХ не должны разделять земляные плоскости. Если вы это сделаете, вы уничтожите целостность вашей системы распределения питания.

Ли Ричи, основатель и президент компании Speeding Edge, отмечает: «Есть самопровозглашенные гуру по ЭМП, которые рекомендуют разрезать земляную плоскость, потому что в ней циркулирует ток, который может нарушить работу какого-то аналогового сигнала где-то. Идея здесь в том, что вы превращаете участок земляной плоскости в маленький островок и соединяете его в одном месте. Почти в каждом случае, с которым я сталкивался, кто-то предполагает наличие какой-то магической проблемы из-за циркулирующих в земляной плоскости токов. На самом деле, каждый раз, когда я видел, как кто-то разрезает земляную плоскость, они создавали проблему с ЭМП."

Таким образом, как только мы исключаем все неверные данные, которые продолжают циркулировать о разделении земли, дискуссия переходит к питающим плоскостям, и есть законные причины для их разделения. Эти причины и способы их реализации подробно описаны ниже.

Распределение напряжений двух источников питания в одном слое печатной платы

Единственная причина, по которой может потребоваться разделение плоскости, это наличие двух или более Vdd на одной и той же плоскости в случае силовой плоскости. На самом деле, современная электроника не могла бы существовать без этой возможности. Во-первых, необходимо убедиться, что импеданс Vdd, находящихся по разные стороны раздела, очень низкий (миллиомы), чтобы обеспечить хорошую целостность подачи питания для всех напряжений. Низкий импеданс каждого из Vdd, между каждым Vdd и земляной плоскостью, является переменным током через зазор. Также следует отметить, что этот зазор никогда не должен быть шире 10 mils (0.254 мм).

Для иллюстрации вышеизложенного, на рисунке 1 представлена тестовая печатная плата с дорожками во внутреннем микрополосковом слое (слой 2), которые пересекают плоскость в слое 3.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Figure 1. Test PCB with traces crossing plane splits

Рисунок 1. Тестовая печатная плата с дорожками, пересекающими разделы плоскостей

Рисунок 2 показывает сечение разделенной силовой плоскости под дорожкой. Стрелками показаны направления тока на выходе и возврате.

Figure 2. Simple illustration showing side view of trace crossing a split plane with arrows to show current

Рисунок 2. Боковой вид дорожки, пересекающей разделенную плоскость на печатной плате со стрелками, указывающими направление тока

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Примечание: В верхнем левом углу этой диаграммы находится таблица, показывающая емкостное сопротивление трех разных конденсаторов в зависимости от частоты. Конденсаторы на 1 нФ и 10 нФ, которые обычно используются в качестве отдельных развязывающих конденсаторов, даже по одному, обеспечивают относительно низкое сопротивление. Когда системы питания разработаны правильно, используется комбинация отдельных конденсаторов и емкости плоскостей, что приводит к сопротивлению на уровне 10 миллиом или ниже между Vdd и землей от постоянного тока до гигагерц и выше. Это эффективно "замыкает" плоскости питания с подлежащей плоскостью на всех интересующих частотах. Возвратный ток имеет переменный путь вокруг разреза плоскости и не виден сигналу.

На рисунке 3 представлена волновая форма TDR, показывающая, что пересечение раздела не приводит к значительному ухудшению. Синяя волновая форма - это сигнал, пересекающий раздел плоскости. Очень небольшой изгиб вверх посередине волновой формы указывает на местоположение раздела плоскости. Это исключает беспокойство о качестве сигнала в результате разделения земляных плоскостей. Кроме того, электромагнитные помехи не являются предметом беспокойства. Указанный выше след был возбужден генератором РЧ и исследован с помощью ближнепольного зонда, подключенного к анализатору спектра. Когда зонд перемещался взад и вперед через раздел, не было обнаружено изменений в уровне обнаруженной энергии.

Figure 3. TDR waveform of signal crossing plane split in figure 1

Рисунок 3. Волновая форма TDR сигнала, пересекающего раздел плоскости на рисунке 1

Дополнительные комментарии

Общий режим помех: Одно из предупреждений выше говорит о разделении плоскости для уменьшения помех общего режима. Общий режим означает, что есть два элемента, имеющих что-то общее. Почти всегда это дифференциальная пара. Если у вас есть помехи, вы надеетесь, что это помехи общего режима. Это означает, что шум одинакового размера присутствует на обеих сторонах, и дифференциальная пара игнорирует его. Это определение смещения земли — это истинные помехи общего режима, и это не имеет ничего общего с разделением плоскостей на печатной плате.

Аналоговые и цифровые секции платы: Еще одно предупреждение выше связывает разрезы плоскости с аналоговыми секциями платы. Разделения связаны с распределением двух напряжений питания в одной и той же плоскости, а не с расположением аналоговых или цифровых секций платы.

Резюме

Как и в случае с другими темами проектирования печатных плат, окутанными заблуждениями и ложными предположениями, использование разделения плоскостей отмечено большим количеством дезинформации и вводящих в заблуждение сведений. Когда понимаешь, что разделение плоскостей ограничивается распределением двух напряжений питания в одной и той же плоскости, становится гораздо проще учитывать разрезы плоскостей в общем процессе системного проектирования и обеспечивать работу печатных плат согласно задумке с первого раза.

Узнайте больше о продвинутом трассировании и проверке плоскостей заземления и питания в трассах компоновки печатных плат с Altium Designer®. Остались вопросы? Звоните эксперту из Altium.

Ссылка

  1. Ричи, Ли В. и Засио, Джон Дж., "С первого раза правильно, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Том 2."

Об авторе

Об авторе

Келла Кнак (Kella Knack) является вице-президентом по маркетингу Speeding Edge – компании, занимающейся обучением, консалтингом и издательством в сфере быстродействующих конструкций, по таким темам, как анализ целостности сигналов, конструирование печатных плат и борьба с электромагнитными помехами. Ранее она работала в качестве консультанта по маркетингу во множестве высокотехнологичных компаний – от стартапов до многомиллиардных корпораций. Она также работала редактором в различных отраслевых изданиях, относящихся к рынку печатных плат, связи и автоматизации проектирования электроники.

Связанные ресурсы

Связанная техническая документация

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.
Altium Need Help?