Разделение плоскостей — хорошее, плохое и ужасное

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.

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.

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.

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

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.

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."