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          PCB設計工程師一定要了解的“跨分割”

          2021-10-12  by:CAE仿真在線  來源:互聯網


          首先什么叫跨分割?

          在PCB設計過程中,電源平面的分割或者是地平面的分割,會導致平面的不完整,這樣信號走線的時候,它的參考平面就會出現從一個電源面跨接到另一個電源面,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有什么關系,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候,會出現如下不良影響:


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


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

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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,需要對分割進行縫補,為信號提供較短的回流通路,常見的處理方式有添加縫補電容和跨線橋接。

          1.縫補電容(Stiching Capacitor)

          通常在信號跨分割處擺放一個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,可以多添加幾個這樣的電容;同時盡量保證信號線在縫補電容 200mil 范圍內,距離越小越好;而電容兩端的網絡分別對應信號穿過的參考平面的網絡,見下圖中電容兩端連接的網絡,兩種顏色高亮的兩種不同網絡:

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          2.跨線橋接

          常見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絡的信號線,這個個“包地”線盡量粗,這種處理方式,參考下圖。

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          知識擴展:高速信號布線技巧

          1. 多層布線

          高速信號布線電路往往集成度較高,布線密度大,采用多層板既是布線所必須的,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設置屏蔽,能更好地實現就近接地,能有效地降低寄生電感,能有效縮短信號的傳輸長度,能大幅度地降低信號間的交叉干擾等。

          2. 引線彎折越少越好

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

          3. 引線越短越好

          高速信號布線電路器件管腳間的引線越短越好。引線越長,帶來的分布電感和分布電容值越大,對系統的高頻信號的通過產生很多的影響,同時也會改變電路的特性阻抗,導致系統發生反射、振蕩等。

          4. 引線層間交替越少越好

          高速電路器件管腳間的引線層間交替越少越好。所謂“引線的層間交替越少越好”,是指元件連接過程中所用的過孔越少越好。據測,一個過孔可帶來約0.5pf的分布電容,導致電路的延時明顯增加,減少過孔數能顯著提高速度。

          5. 注意平行交叉干擾

          高速信號布線要注意信號線近距離平行走線所引入的“交叉干擾”,若無法避免平行分布,可在平行信號線的反面布置大面積“地”來大幅度減少干擾。

          6. 避免分枝和樹樁

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

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          7. 信號線盡量走在內層

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




          在此補充說明一下跨分割常見的產生方式?

          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刀了。有時可能干凈利索,一刀兩斷?而有時避免不了藕斷絲連,可能犧牲的只是不怎么關鍵的信號,但是還是要補救一下的。這個感覺就像走回家的路,突然挖了條溝,這就有問題了,繞吧,有點遠,還可能被人家的狗追;好吧,

          簡單架座橋,也可以回家。

          撇開這個不著邊際的比喻,如果在 PCB 中,你做了分割處理,就

          查一下信號線的,不然會有問題發生。

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

          時鐘、復位、100M以上信號以及一些關鍵的總線信號不能跨分割,至少有一個完整平面,優選GND平面。

          時鐘信號、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的正下方。

          在信號下面設置一個實體層可以顯著減少信號完整性和時序問題,這個實體層可以為該信號提供直接回路。當走線與層分割交叉不可避免時,應使用一個 0.01 uF 回路電容。當使用回路電容時,應盡可能靠近信號線與層分割的交叉點布置回路電容。



          (圖文內容整理自網絡)



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