Ślad przekraczający podzieloną płaszczyznę mocy

Większość źródeł w Internecie omawia sygnały routingu w podzielonej płaszczyźnie zasilania i jak to zrobić poprawnie. Głównym rozwiązaniem tutaj jest stworzenie krótkiej ścieżki prądu powrotnego. Zastanawiam się, czy kierowanie sygnałów przez podzieloną płaszczyznę zasilania (nie płaszczyznę uziemienia) będzie miało zauważalny wpływ na integralność sygnału i czy powinienem podjąć środki.

Moja sytuacja:

4-warstwowa płytka drukowana:

• Górna warstwa: sygnał
• Płaszczyzna wewnętrzna: podzielony grunt (analogowy / cyfrowy)
• Płaszczyzna wewnętrzna: podzielona płaszczyzna zasilania (w tym przypadku odpowiednie są 3,3 V cyfrowe i 3,3 V analogowe)
• Dolna warstwa: sygnał

Kieruję kilka sygnałów zegarowych w dolnej warstwie, zaczynając od sekcji cyfrowej do sekcji analogowej. Sygnały przekroczą płaszczyznę mocy podzieloną między sekcję cyfrową i analogową (przerwa ma szerokość 0,5 mm). Zapewnię stałą ścieżkę powrotną prądu stałego na płaszczyźnie uziemienia (mostek między cyfrowym a analogowym), więc prądy zwrotne nie powinny stanowić problemu.

Sygnał zegara jest nieco powyżej 12 MHz, ślady mają szerokość 0,2 mm i maksymalną długość 13,4 cm. Ślady są zakończone rezystorem szeregowym.

Szybka odpowiedź:

Każdy sygnał, który przechodzi przez podział w płaszczyźnie uziemienia mocy LUB jest zły. Im wyższa częstotliwość przełączania (i im szybciej są krawędzie sygnału), tym gorsze będą efekty.

Długa odpowiedź:

Kiedy mówisz: „Zapewnię stałą ścieżkę powrotną prądu stałego na płaszczyźnie uziemienia (mostek między cyfrowym a analogowym), więc prądy zwrotne nie powinny stanowić problemu”, albo nie rozumiesz problemów, albo ja nie rozumiałem Twoje oświadczenie. Mówię to dlatego, że nie możesz mieć „stałej ścieżki powrotnej prądu” i nadal mieć podzieloną płaszczyznę. Musi być w tym trochę niestabilności.

Prądy powrotne będą płynąć na najbliższej płaszczyźnie uziemienia mocy LUB do sygnału. Więc w twoim przypadku, jeśli twój sygnał znajduje się na górnej warstwie, wówczas prądy powrotne będą na twojej warstwie gruntowej. Ale jeśli twój sygnał znajduje się na dolnej warstwie, wówczas prądy powrotne będą na warstwie mocy. W przypadku większości sygnałów o średniej i wysokiej prędkości prąd powrotny podąża za śladem sygnału, a nie podąża najkrótszą drogą. Innymi słowy, prądy powrotne będą próbowały zminimalizować „obszar pętli”.

Jeśli twój sygnał przełącza się z dołu do góry (lub odwrotnie), wówczas prądy powrotne również się przełączają, przepływając przez kapturek odsprzęgający. Dlatego ważne jest, aby posypać nakrętki odsprzęgające na całej płytce drukowanej, nawet jeśli jest zbyt daleko od układu scalonego, aby wpłynąć na moc.

Minimalizacja obszaru pętli ma kluczowe znaczenie dla integralności sygnału, minimalizacji EMI i zmniejszenia skutków ESD.

Jeśli twój sygnał przecina rozłam w płaszczyźnie mocy / uziemienia, wówczas prądy powrotne są zmuszone do objazdu. W niektórych przypadkach objazd może zwiększyć obszar pętli o 2x, a nawet 10x! Najprostszym i najlepszym sposobem, aby tego uniknąć, jest nieprzeprowadzanie sygnału przez podział.

Niektóre płyty mają mieszane płaszczyzny analogowe i cyfrowe lub w niektórych systemach mają wiele szyn zasilających. Oto lista rzeczy, które mogą pomóc w tych okolicznościach:

1. W przypadku zegarów lub aktywnych linii danych naprawdę nie chcesz przekraczać podziału. Niektóre kreatywne trasowanie płytek PCB jest najlepszym rozwiązaniem, chociaż czasami po prostu trzeba mieć połączoną płaszczyznę analogowo-cyfrową zamiast ją rozdzielić.

2. W przypadku sygnałów o niskiej prędkości lub sygnałów, które w większości są prądem stałym, możesz przekroczyć podział, ale zachowaj ostrożność i selektywność. Jeśli możesz, spowolnij szybkość krawędzi za pomocą rezystora i być może zaślepki. Zwykle rezystor byłby fizycznie mostkiem podziału.

3. Rzeczy takie jak rezystory 0 omów lub czapki mogą być wykorzystane do zapewnienia ścieżki zwrotnej sygnału między dwiema płaszczyznami. Na przykład, jeśli sygnał przeskakuje podział, pomocne może być dodanie ograniczenia między dwiema płaszczyznami w pobliżu sygnału. Ale uwaga, jeśli nie zostanie to zrobione dobrze, to może to negować wszelkie pozytywne skutki podziału w pierwszej kolejności (IE, powstrzymując szum cyfrowy przed przejściem do płaszczyzny analogowej). Zaletą używania czapek lub rezystorów 0 omów jest to, że pozwala ono bawić się projektem po wykonaniu płytki drukowanej. Zawsze możesz wypchać lub rozpakować części, aby zobaczyć, co się stanie.

Podczas gdy wiele projektów PCB wymaga pewnego rodzaju kompromisu, staraj się nie iść na kompromis, chyba że absolutnie musisz. Dzięki temu będziesz mieć mniej bólów głowy i stracisz mniej włosów.

Powinienem również zauważyć, że całkowicie pochyliłem się nad kwestią zmian impedancji spowodowanych podziałem i co to by znaczyło. Chociaż jest to ważne, nie jest tak ważne, jak minimalizowanie obszaru pętli i innych rzeczy. Zrozumienie obszaru pętli jest znacznie łatwiejsze niż zrozumienie, w jaki sposób zmiany impedancji wpłyną na integralność sygnału.

Muszę rzucić trochę konwencjonalnej mądrości na krawężnik. Przynajmniej dla kart RF, które zrobiłem, zauważyłem, że wydajność poprawia się, ponieważ nie mam podzielonych podstaw dla analogowego i cyfrowego. Zamiast tego użycie solidnej płaszczyzny uziemienia i wylewanie gruntu, aby utrzymać ścieżkę niskiej indukcyjności / niskiej rezystancji do pojedynczego zunifikowanego węzła uziemienia, działało lepiej w przypadku rodzajów produktów, które zrobiłem, przede wszystkim małych rozmiarów (ręczne) i ciężkich RF (odbiorniki) oraz nadajniki w zakresie 500 MHz i więcej.

Zwykle nie używam samolotów Power, ponieważ nie potrzeba dużo szerokości śladu, aby zrzucić jakiekolwiek śladowe spadki napięcia IR do zakresu mikrowoltów i wolałbym tam mieć uziemienie.

Po prostu inne podejście.

Można zapytać - dlaczego sygnał zegarowy dociera do regionu analogowego? Być może musisz prześledzić swoje samoloty, aby przenieść cyfrową ziemię na cyfrowe strony DAC / ADC (zakładam, że „o co tu chodzi”).

Zegary nie powinny przechodzić przez przelotki. Za korzystanie z przelotek płacisz cenę indukcyjności i pojemności, a wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania cię ostatecznie ugryzie. Wymusza także prądy powrotne zegara przez czapkę odsprzęgającą. Naprawdę najlepszą praktyką jest utrzymywanie zegara na jednej warstwie.

Jest to dodatek do powyższych porad.

W zależności od prędkości zegara i jego routingu, spodziewałbym się, że możesz skorzystać z przepuszczenia go przez urządzenie na granicy dwóch płaszczyzn, którego wejście odnosi się do płaszczyzny cyfrowej, a wyjście zależy od płaszczyzna analogowa. Jeśli zegar jest używany do wielu celów, możesz go tam również zablokować, tak aby tylko impulsy zegara, które były rzeczywiście istotne dla ADC, przekroczyły granicę.

Ułożenie zegara przez podzielone płaszczyzny mocy będzie miało negatywny wpływ. Jak wspomnieli inni, lepiej jest użyć jednej stałej płaszczyzny uziemienia i podzielić routing analogowy i cyfrowy, aby utrzymać je w izolacji. Byłbym zaniepokojony zakłóceniami elektromagnetycznymi z zegarem przechodzącym przez podzieloną płaszczyznę (wygląda jak antena szczelinowa) i możesz rozważyć zmianę z zakończenia serii na równoległą dla linii zegara.

Nie twierdzę, że przekraczanie podzielonych płaszczyzn w tego typu konfiguracji nie może być wykonane, ale powinieneś uważać i rozumieć, że będzie ryzyko związane z tym, że nie będziesz w stanie łatwo określić ilościowo.

Jeśli zamierzasz zachować swój układ tak, jak jest, chciałbym, aby w niektórych notatkach aplikacji od facetów ADC, takich jak Analog Devices (lub twój układ ADC sprzedawcy), aby zobaczyć, jakie rekomendacje mają dla tego typu układu podzielonego samolotu.

Niestety pola elektryczne popchną elektrony do zbadania WSZYSTKICH możliwych ścieżek powrotnych, proporcjonalnych do przewodnictwa (podatności, dla sygnałów prądu przemiennego).

Tak, niektóre ścieżki będą preferowane ze względu na niższą impedancję. Ale niektóre elektrony nadal będą podążać innymi ścieżkami, ponieważ te inne ścieżki istnieją.

Przy częstotliwościach znacznie powyżej SkinFrequency (5 MHz dla 35 mikronów 1 uncja / stopa ^ 2) elektrony nie mają czasu na penetrację folii i (przeważnie) pozostają po jednej stronie. Przy 20 MHz masz 2 SkinDepths lub 2 * 8,9 dB = 18 dB redukcji (prawie 10: 1). Przy 80 MHz masz 4 wartości SkinDepths lub 4 * 8,9 dB = 36 dB redukcji (prawie 180: 1). Przy 320 MHz (być może 1nanosekundowych krawędziach) masz 8 wartości SkinDepths lub 8 * 8,9 dB = 72 dB redukcji (ponad 30 000: 1).

Zauważ, że JESZCZE JEST RUCH elektronów przez folię, na stronę odwróconą od ciebie ślad agresora. W tej „cichej” części samolotu nadal występuje spadek I * R.