Chia Tách Mặt Phẳng—Cái Tốt, Cái Xấu Và Cái Xấu Xí

Việc chia các mặt phẳng hoặc tạo các đường cắt trên mặt phẳng là một trong những vấn đề kỹ thuật mà có rất nhiều thông tin mâu thuẫn. Một số người nói rằng việc chia mặt phẳng nguồn là điều tốt; người khác nói bạn có thể chia cả mặt phẳng nguồn và mặt phẳng đất, một số người nói bạn chỉ nên tạo đường cắt trên mặt phẳng nguồn, và những người khác nói nên tránh việc cắt mặt phẳng hoàn toàn. Bài viết này sẽ làm sáng tỏ những hiểu lầm xung quanh việc chia mặt phẳng, cung cấp bằng chứng về khi nào chúng hữu ích, và mô tả khi nào không nên thực hiện.

Sự thật, tin đồn và những hiểu lầm

Như đã nêu ở trên, việc chia mặt phẳng hoặc tạo đường cắt trên mặt phẳng là một trong những lĩnh vực chủ đề bị ảnh hưởng bởi rất nhiều thông tin sai lệch và nhầm lẫn. Dưới đây là một số bình luận thường gặp, làm tăng thêm sự nhầm lẫn cho chủ đề nói chung và gây bất lợi cho các nhà phát triển sản phẩm. Cần lưu ý rằng các cảnh báo "chống chia" được đưa ra một cách tương đối ngẫu nhiên về nơi chúng nên được đặt, tại sao chúng nên được thực hiện, và chúng có thể gây hại như thế nào. Chúng bao gồm:

• Bất kỳ tín hiệu nào đi qua mặt phẳng đất hoặc mặt phẳng nguồn bị chia là không mong muốn. Tốc độ chuyển mạch càng cao, hậu quả sẽ càng tồi tệ.”

• “Việc kéo một đường dẫn qua một mặt phẳng chia cắt là không tốt vì nó làm tăng độ tự cảm và làm phức tạp lộ trình cho dòng điện trở lại.”

• “Bạn chia mặt phẳng nối đất để giảm tiếng ồn chế độ chung trên phần tương tự của nó” “

• “Hãy chia bảng mạch của bạn thành các phần tương tự và số hóa riêng biệt.”

• “Nếu bạn cô lập các phần tương tự, bạn cần mặt phẳng chia cắt.”

• “Không bao giờ nên kéo một đường dẫn qua một mặt phẳng năng lượng chia cắt vì nguy cơ gây nhiễu chéo tăng lên và không đáp ứng được yêu cầu EMC.”

Để làm cho mọi thứ dễ dàng hơn, chúng ta có thể dễ dàng bác bỏ tất cả những điều trên và nói rằng chúng không đúng. Nhưng, có lẽ một trong những điều quan trọng nhất cần rút ra là bạn KHÔNG BAO GIỜ, KHÔNG BAO GIỜ nên chia mặt phẳng nối đất. Nếu bạn làm vậy, bạn sẽ phá hủy tính toàn vẹn của hệ thống phân phối năng lượng (PDS) của mình.

Lee Ritchey, người sáng lập và Chủ tịch của Speeding Edge, lưu ý, “Có những người tự xưng là chuyên gia EMI khuyên nên cắt mặt đất vì có dòng điện lưu thông trong mặt đất có thể làm ảnh hưởng đến một tín hiệu analog nào đó ở đâu đó. Ý tưởng ở đây là bạn biến một phần của mặt đất thành một hòn đảo nhỏ và kết nối nó vào một nơi. Trong hầu hết mọi trường hợp tôi đã thấy, ai đó đang giả định một vấn đề ma thuật nào đó tồn tại bởi vì các dòng điện đang lưu thông trong mặt đất. Thực tế, mỗi khi tôi thấy ai đó cắt một mặt đất, họ đã tạo ra một vấn đề EMI.”

Vì vậy, một khi chúng ta đã loại bỏ tất cả dữ liệu xấu mà vẫn tiếp tục lưu thông về việc chia mặt đất, cuộc thảo luận chuyển sang mặt đất nguồn, và có những lý do chính đáng để chia chúng. Những lý do đó và cách thực hiện chúng được chi tiết dưới đây.

Phân phối Hai Điện Áp Thiết Kế Mặt Đất Nguồn trong Cùng Một Lớp PCB

Chỉ có một lý do duy nhất để chia một mặt phẳng, và đó là việc được thực hiện trên một mặt phẳng nguồn khi bạn có hai hoặc nhiều Vdd trong cùng một mặt phẳng. Thực sự, điện tử hiện đại sẽ không tồn tại nếu không có khả năng này. Đầu tiên, bạn phải chắc chắn rằng trở kháng của các Vdd ở hai bên của vùng chia cực thấp (milliohm), để đảm bảo tính toàn vẹn của việc cung cấp nguồn cho tất cả các điện áp. Trở kháng thấp của mỗi Vdd, giữa mỗi Vdd và mặt phẳng tiếp đất, là đường dẫn AC qua khe hở. Ngoài ra, cần lưu ý rằng khe hở này không bao giờ cần rộng hơn 10 mils (0.254mm).

Để minh họa cho những điều trên, Hình 1 là một PCB thử nghiệm với các đường mạch trong lớp microstrip chôn giấu (lớp 2) chéo qua mặt phẳng ở lớp 3.

Hình 1. PCB Thử Nghiệm Với Các Đường Mạch Chéo Qua Các Điểm Chia Mặt Phẳng

Hình 2 là mặt cắt của mặt phẳng nguồn bị chia phía dưới một đường mạch. Cả dòng điện ra và dòng điện trở lại đều được hiển thị bằng mũi tên.

Hình 2. Hình Bên Của Đường Mạch Chéo Qua Một Mặt Phẳng Bị Chia Trong PCB với Mũi Tên Chỉ Dòng Điện

Lưu ý: Ở góc trên bên trái của sơ đồ này là một bảng hiển thị dung kháng của ba tụ điện có kích thước khác nhau theo chức năng của tần số. Các tụ điện 1 nF và 10 nF thường được sử dụng cho tụ điện giải nhiễu rời rạc, ngay cả khi sử dụng từng cái một, tạo ra một trở kháng tương đối thấp. Khi hệ thống cung cấp điện được kỹ thuật chính xác, một sự kết hợp của các tụ điện rời rạc và dung lượng của bản mạch sẽ được sử dụng, điều này dẫn đến trở kháng ở mức 10 milliohm hoặc thấp hơn giữa Vdd và mặt đất từ DC đến một gigahertz hoặc hơn. Điều này hiệu quả “ngắn mạch” các bản mạch cung cấp điện với bản mạch phía dưới ở tất cả các tần số quan tâm. Dòng điện trở lại có một đường dẫn AC xung quanh cắt bản mạch và không hiển thị với tín hiệu.

Hình 3 là một dạng sóng TDR cho thấy không có sự suy giảm đáng kể nào do việc vượt qua vùng chia. Dạng sóng màu xanh là tín hiệu vượt qua vùng chia mặt phẳng. Sự uốn lên rất nhỏ ở giữa dạng sóng là vị trí của vùng chia mặt phẳng. Điều này loại bỏ mối lo ngại về chất lượng tín hiệu do vùng chia mặt phẳng đất. Thêm vào đó, EMI không phải là vấn đề đáng lo ngại. Vết dấu được nêu ở trên được kích thích bằng một máy phát RF và được đo bằng một đầu dò gần trường gắn vào một máy phân tích phổ. Khi đầu dò được di chuyển qua lại qua vùng chia, không có sự thay đổi nào về mức năng lượng được phát hiện.

Hình 3. Dạng sóng TDR của Tín hiệu Vượt qua Vùng Chia Mặt Phẳng trong Hình 1

Nhận xét Thêm

Nhiễu chế độ chung: Một trong những cảnh báo trước đây đã đề cập đến việc chia một mặt phẳng để giảm nhiễu chế độ chung. Chế độ chung có nghĩa là có hai yếu tố có điểm chung. Hầu như luôn luôn đó là một cặp vi sai. Nếu bạn gặp phải nhiễu, bạn sẽ hy vọng đó là nhiễu chế độ chung. Điều này có nghĩa là nhiễu cùng kích thước xuất hiện ở cả hai bên và cặp vi sai sau đó sẽ bỏ qua nó. Đây là định nghĩa của sự chênh lệch mặt đất - đó là nhiễu chế độ chung thực sự và nó không liên quan gì đến việc chia mặt phẳng trong PCB.

Phần tương tự và số của một bảng mạch: Một cảnh báo khác được trích dẫn ở trên liên kết việc cắt mặt phẳng với phần tương tự của bảng mạch. Việc chia có liên quan đến việc phân phối hai điện áp nguồn cung cấp trong cùng một mặt phẳng và không liên quan đến vị trí của phần tương tự hoặc số của bảng mạch.

Tóm tắt

Giống như các chủ đề khác về thiết kế PCB mà bị bao phủ bởi những hiểu lầm và giả định sai lầm, việc sử dụng việc chia mặt phẳng được đánh dấu bởi nhiều thông tin sai lệch và đánh lạc hướng. Khi hiểu rằng việc chia mặt phẳng chỉ giới hạn ở việc phân phối hai điện áp nguồn cung cấp trong cùng một mặt phẳng, việc tính toán việc cắt mặt phẳng vào quá trình thiết kế hệ thống tổng thể trở nên dễ dàng hơn và đảm bảo rằng PCB sẽ hoạt động như thiết kế, ngay từ lần đầu tiên.

Khám phá thêm về việc định tuyến và xác minh nâng cao của mặt đất và thiết kế mạch cung cấp điện trong các dấu vết bố trí PCB với Altium Designer^®. Có thêm câu hỏi? Gọi cho chuyên gia tại Altium.

Tham khảo

1. Ritchey, Lee W. và Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 2.”