Почему питающие шины печатных плат должны иметь низкое сопротивление

Как было отмечено в нескольких моих статьях и в доступной для отрасли информации о проектировании печатных плат, получение правильного импеданса критически важно для обеспечения корректной работы продукта в соответствии с задумкой.

То, что не так легко понять и может оставаться проблемой, если не уделить ему должное внимание на этапе разработки продукта, это необходимость обеспечения всех печатных плат силовых шин с низким импедансом источника питания, чтобы избежать чрезмерных колебаний сигналов. В этой статье будет рассмотрена эта потребность, включая то, что представляют собой электроника силовых шин, как они функционируют, как страх может быть движущей силой в принятии неверных проектных решений, и что такое силовая шина.

Обзор импеданса

Импеданс является значимым свойством линий передачи. Это сопротивление, которое линия передачи представляет для потока энергии вдоль неё. Он состоит из трех паразитных элементов — сопротивления, емкости и индуктивности. Как показано, паразитное сопротивление является основным определяющим фактором импеданса линии передачи на постоянном токе или на низких частотах. Когда частота становится выше нескольких килогерц, реактивное сопротивление паразитной индуктивности начинает блокировать или препятствовать потоку энергии. В то же время паразитная емкость стремится шунтировать энергию на «землю» или плоскость. Именно эти два элемента работают вместе таким образом, что электромагнитное поле видит определенный импеданс на всех частотах.

Определение силовых шин ПП

Так что же такое силовая шина? Силовая шина - это все или часть слоя плоскости, который используется для какого-либо напряжения, он обеспечивает энергией для функционирования схемы. Практически во всех печатных платах некоторые сигналы, часто половина из них, должны быть проложены через силовые слои. В результате неизбежно, что любые пульсации или шумы на данной силовой плоскости будут связаны с любым сигналом, который прокладывается через эту конкретную плоскость.

Пульсации состоят из вариаций напряжения, которые появляются на шинах питания Vcc или Vdd. Эти вариации могут быть созданы самой шиной питания или изменяющимися токами нагрузки, которые вызывают падение напряжения питания. С точки зрения шума, десять возможных источников могут быть созданы конструкцией. Они включают в себя:

• Отражения
• Подпрыгивание земли
• Смещения земли
• Термические смещения
• Падение напряжения на дорожках
• Перекрестные помехи
• Падение напряжения на земле
• Точность опорного напряжения
• Шум терминатора
• Вариации источника питания

В контексте этого обсуждения, где почти все логические устройства являются CMOS, наиболее вероятными источниками шума являются отражения, перекрестные помехи, Vdd, и подпрыгивание земли а также пульсации на Vdd.

Чтобы избежать чрезмерных пульсаций на сигналах, шины печатной платы должны быть спроектированы так, чтобы иметь очень низкое сопротивление. В результате, когда рассматривается изменение тока (delta I) по сравнению с пульсацией, как это происходит при использовании инструментов EDA, которые рассчитывают, каким окажется сопротивление, можно получить ответ, указывающий, что сопротивление будет относительно высоким. Уровень пульсаций при этом все еще будет удовлетворительным. Это происходит, когда изменение тока (delta I) является действительно маленьким числом. Сопротивление оказывается действительно высоким, но это потому, что нагрузка не велика. Примечание: следует отметить, что некоторые электронные компоненты питающих шин являются низкопотребляющими, но это не является предметом обсуждения данной статьи.

Проблемы

Проблема при проектировании силовой шины печатной платы с низким импедансом заключается в том, что силовая шина, скорее всего, будет частью плоскости, а не всей плоскостью целиком. Поэтому необходимо разделить силовую плоскость, но при этом образуются промежутки. В результате сигналы, пересекающие эти промежутки, будут казаться нарушенными в своем пути возврата тока из-за этих промежутков. Эта проблема решается путем инженерного обеспечения очень низкого импеданса этой части плоскости между плоскостью и подстилающим ее слоем земли, так что возвратный ток находит свой путь через промежуток через этот участок с очень низким импедансом.

Описанный подход устраняет необходимость решать проблему трассировки дорожек через промежутки в плоскостях, о чем многие правила проектирования говорят, что делать это нельзя. Рисунок 1 показывает измеренные данные сигналов, пересекающих промежуток, обработанный таким образом. Синяя линия - это сигнал, пересекающий промежуток в плоскости, по которой он проложен. Небольшое восходящее отражение в центре линии указывает на местоположение промежутка. Как видно, сигнал через промежуток не нарушается. (Красная линия - это сигнал по более короткой дорожке, которая не пересекает промежуток).
 

В основе всего этого лежит непреложное правило, что земляные плоскости не следует разрезать, поскольку именно они связывают все вместе. Наш опыт показывает, что когда разработчики продуктов делают разрезы в своих земляных плоскостях, они либо пытаются решить проблему, которую сами придумали, либо пытаются решить вопрос изоляции одной цепи от другой. Классическое, ошибочное обоснование этого заключается в разделении аналоговой и цифровой земли. Это происходит, когда инженеры-конструкторы неправильно понимают, почему на одной детали есть два разных вывода, один аналоговый и один цифровой, которые обеспечивают путь в чип. Эти инженеры часто исходят из страха, что будет нежелательное вмешательство с одной стороны платы на другую. В результате они разрезают плату, чтобы изолировать то, что, в конечном счете, является мнимой проблемой.

Предыдущая ситуация может возникнуть у разработчика продукта, который во время моделирования заметил, что между одной стороной печатной платы (PCB) и другой есть разница или нежелательное вмешательство, достаточно значительное, чтобы это могло вызвать проблему. Когда мы сталкиваемся с таким сценарием, мы просим предоставить измеренные данные с реального рабочего оборудования. Только на основе таких доказательств можно надежно установить наличие проблемы.

Итог

Чтобы избежать чрезмерного рябления сигналов, питающие шины PCB должны иметь низкое сопротивление. Поскольку цепь питающей шины, скорее всего, будет частью плоскости, а не всей плоскостью целиком, необходимо разделить плоскость питания. Это создаст промежутки, и может показаться, что эти промежутки нарушают путь возврата тока. Это решается путем инженерной доработки этой части плоскости до низкого сопротивления, так что возвратный ток находит путь через эти промежутки.

Есть еще вопросы? Звоните эксперту в Altium и узнайте, как мы можем помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы.