PCB設計工程師一定要了解的“跨分割”

2021-10-12  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)


首先什么叫跨分割?

在PCB設計過(guò)程中,電源平面的分割或者是地平面的分割,會(huì )導致平面的不完整,這樣信號走線(xiàn)的時(shí)候,它的參考平面就會(huì )出現從一個(gè)電源面跨接到另一個(gè)電源面,這種現象我們就叫做信號跨分割。



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PCB中的平面跨分割是怎么一回事

跨分割現象示意圖


跨分割,對于低速信號可能沒(méi)有什么關(guān)系,但是在高速數字信號系統中,高速信號是以參考平面作為返回路徑,就是回流路徑。當參考平面不完整的時(shí)候,會(huì )出現如下不良影響:


  1. a.會(huì )導致走線(xiàn)的的阻抗不連續;
  2. b.容易使信號之間發(fā)生串擾;
  3. c.會(huì )引發(fā)信號之間的反射;
  4. d.增大電流的環(huán)路面積、加大環(huán)路電感,使輸出的波形容易振蕩;
  5. e.增加向空間的輻射干擾,同時(shí)容易受到空間磁場(chǎng)的影響;
  6. f.加大與板上的其它電路產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合的可能性;
  7. g.環(huán)路電感上的高頻壓降構成共模輻射源,并通過(guò)外接電纜產(chǎn)生共模輻射。


因此,PCB布線(xiàn)要盡可能靠近一個(gè)平面,并避免跨分割。若必須跨分割或者無(wú)法靠近電源地平面,這些情況僅允許在低速信號線(xiàn)中存在。

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PCB設計中跨分割的處理

如果在PCB設計中不可避免的出現了跨分割,又該如何處理呢?這種情況下,需要對分割進(jìn)行縫補,為信號提供較短的回流通路,常見(jiàn)的處理方式有添加縫補電容和跨線(xiàn)橋接。

1.縫補電容(Stiching Capacitor)

通常在信號跨分割處擺放一個(gè)0402或者0603封裝的瓷片電容,電容的容值在0.01uF或者是0.1 uF,如果空間允許,可以多添加幾個(gè)這樣的電容;同時(shí)盡量保證信號線(xiàn)在縫補電容 200mil 范圍內,距離越小越好;而電容兩端的網(wǎng)絡(luò )分別對應信號穿過(guò)的參考平面的網(wǎng)絡(luò ),見(jiàn)下圖中電容兩端連接的網(wǎng)絡(luò ),兩種顏色高亮的兩種不同網(wǎng)絡(luò ):

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2.跨線(xiàn)橋接

常見(jiàn)的就是在信號層對跨分割的信號“包地處理”,也可能包的是其他網(wǎng)絡(luò )的信號線(xiàn),這個(gè)個(gè)“包地”線(xiàn)盡量粗,這種處理方式,參考下圖。

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知識擴展:高速信號布線(xiàn)技巧

1. 多層布線(xiàn)

高速信號布線(xiàn)電路往往集成度較高,布線(xiàn)密度大,采用多層板既是布線(xiàn)所必須的,也是降低干擾的有效手段。合理選擇層數能大幅度降低印板尺寸,能充分利用中間層來(lái)設置屏蔽,能更好地實(shí)現就近接地,能有效地降低寄生電感,能有效縮短信號的傳輸長(cháng)度,能大幅度地降低信號間的交叉干擾等。

2. 引線(xiàn)彎折越少越好

高速電路器件管腳間的引線(xiàn)彎折越少越好。高速信號布線(xiàn)電路布線(xiàn)的引線(xiàn)最好采用全直線(xiàn),需要轉折,可用45°折線(xiàn)或圓弧轉折,這種要求在低頻電路中僅僅用于提高鋼箔的固著(zhù)強度,而在高速電路中,滿(mǎn)足這一要求卻可以減少高速信號對外的發(fā)射和相互間的耦合,減少信號的輻射和反射。

3. 引線(xiàn)越短越好

高速信號布線(xiàn)電路器件管腳間的引線(xiàn)越短越好。引線(xiàn)越長(cháng),帶來(lái)的分布電感和分布電容值越大,對系統的高頻信號的通過(guò)產(chǎn)生很多的影響,同時(shí)也會(huì )改變電路的特性阻抗,導致系統發(fā)生反射、振蕩等。

4. 引線(xiàn)層間交替越少越好

高速電路器件管腳間的引線(xiàn)層間交替越少越好。所謂“引線(xiàn)的層間交替越少越好”,是指元件連接過(guò)程中所用的過(guò)孔越少越好。據測,一個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)約0.5pf的分布電容,導致電路的延時(shí)明顯增加,減少過(guò)孔數能顯著(zhù)提高速度。

5. 注意平行交叉干擾

高速信號布線(xiàn)要注意信號線(xiàn)近距離平行走線(xiàn)所引入的“交叉干擾”,若無(wú)法避免平行分布,可在平行信號線(xiàn)的反面布置大面積“地”來(lái)大幅度減少干擾。

6. 避免分枝和樹(shù)樁

高速信號布線(xiàn)應盡量避免分枝或者形成樹(shù)樁(Stub)。樹(shù)樁對阻抗有很大影響,可以導致信號的反射和過(guò)沖,所以我們通常在設計時(shí)應避免樹(shù)樁和分枝。采用菊花鏈的方式布線(xiàn),將對信號的影響降低。

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7. 信號線(xiàn)盡量走在內層

高頻信號線(xiàn)走在表層容易產(chǎn)生較大的電磁輻射,也容易受到外界電磁輻射或者因素的干擾。將高頻信號線(xiàn)布線(xiàn)在電源和地線(xiàn)之間,通過(guò)電源和底層對電磁波的吸收,所產(chǎn)生的輻射將減少很多。




在此補充說(shuō)明一下跨分割常見(jiàn)的產(chǎn)生方式?

1. 分割在一塊單板上,可能有很多的電源要處理,而電源下面的數量有限;綜合考量后,只好在電源平面上動(dòng)刀了。有時(shí)可能干凈利索,一刀兩斷?而有時(shí)避免不了藕斷絲連,可能犧牲的只是不怎么關(guān)鍵的信號,但是還是要補救一下的。這個(gè)感覺(jué)就像走回家的路,突然挖了條溝,這就有問(wèn)題了,繞吧,有點(diǎn)遠,還可能被人家的狗追;好吧,

簡(jiǎn)單架座橋,也可以回家。

撇開(kāi)這個(gè)不著(zhù)邊際的比喻,如果在 PCB 中,你做了分割處理,就

查一下信號線(xiàn)的,不然會(huì )有問(wèn)題發(fā)生。

2. 上面的狀況不易被忽視,還有種情況,可能會(huì )被忽視。如 過(guò)孔via過(guò)于密集,導致平面的割斷,畢竟人家 via 也是占空間的,多了就會(huì )把下面給占了,造成‘割斷量,這種情況不在贅述,相關(guān)介紹比較多。這種情況,就需要自己前期設置好規則,后期細心檢查。

時(shí)鐘、復位、100M以上信號以及一些關(guān)鍵的總線(xiàn)信號不能跨分割,至少有一個(gè)完整平面,優(yōu)選GND平面。

時(shí)鐘信號、高速信號和敏感信號禁止跨分割;

差分信號必須對地平衡,避免單線(xiàn)跨分割。(盡量垂直跨分割)

PCB中的平面跨分割是怎么一回事

所有信號的高頻返回途徑都直接位于相鄰層信號線(xiàn)的正下方。

在信號下面設置一個(gè)實(shí)體層可以顯著(zhù)減少信號完整性和時(shí)序問(wèn)題,這個(gè)實(shí)體層可以為該信號提供直接回路。當走線(xiàn)與層分割交叉不可避免時(shí),應使用一個(gè) 0.01 uF 回路電容。當使用回路電容時(shí),應盡可能靠近信號線(xiàn)與層分割的交叉點(diǎn)布置回路電容。



(圖文內容整理自網(wǎng)絡(luò ))



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