Ślad przekraczający podzieloną płaszczyznę mocy

12

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.

signal-integrity Bianco Zandbergen
źródło
1
Chociaż odpowiedź Davida Kessnera jest fantastyczna, dla bardziej szczegółowych wskazówek możesz zajrzeć do następujących artykułów Keitha Armstronga, wymagana bezpłatna rejestracja i jego książki, EMC dla płytek drukowanych autorstwa Keitha Armstronga
Martin

Odpowiedzi:

16

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.


źródło
Jeśli bezwzględnie musisz użyć czapki, aby „zszyć” podzielone płaszczyzny, upewnij się, że przymocujesz czapkę po obu stronach płaszczyzny. Inżynierowie mają zły nawyk zakładania, że ​​jedna noga czapki jest zawsze przymocowana do GND, a druga do niektórych VCC, podczas gdy w rzeczywistości łączysz obie strony do GND lub obie strony do VCC, w zależności od płaszczyzny, którą szyjesz .
ajs410
Zakładałem, że prąd powrotny przejdzie przez najbliższą / zwartą ścieżkę gruntu, a nie będzie musiał być inny niż płaszczyzna energetyczna, która wydaje się błędna
Bianco Zandbergen
@Bianco będzie podążać dowolną ścieżką minimalizującą indukcyjność. To, co nazywamy mocą, to nadal płyta meta utrzymywana na stałym napięciu i będzie stanowić ścieżkę powrotną. To dlatego, że na twoim chipie powinny znajdować się czapki odsprzęgające, sygnał może je wykorzystać do „uzupełnienia” obwodu w razie potrzeby. Często przełączasz również sygnał zasilania, w którym to przypadku zaślepki nie będą potrzebne.
Kortuk
4

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.

rfdave
źródło
Regularnie czytam takie porady i uważam, że ci, którzy nie osiągają lepszych rezultatów przy podzielonym planie, nie robią tego dobrze. Projektowanie szybkich kart RF to poważna sprawa, projektowanie szybkich kart RF z osobnymi uziemieniami analogowymi i cyfrowymi jest poważniejszym biznesem. Jest to opinia, ale dzięki doskonałej praktyce projektowej i żmudnej konstrukcji oddzielna płytka może uzyskać korzyści dla twojego systemu analogowego. Te linie cyfrowe po prostu generują tak wiele częstotliwości. Jeśli masz bardzo niską prędkość cyfrową, to nie musisz segregować.
Kortuk
Myślę, że podobnie jak większość inżynierii, nie jest to łatwe zadanie, które za każdym razem ma tę samą przestrzeń rozwiązań. Dlatego dobrze płacą inżynierom.
Kortuk
@ Kortuk-Podwójny negatyw jest nieco mylący. Rozumiem, że mówisz, że jeśli zrobisz to dobrze, podzielony samolot da ci lepsze wyniki? To nie jest moje doświadczenie, ale masz rację, że za każdym razem nie ma tej samej przestrzeni rozwiązań, co może być większym punktem! Musisz zacząć od dobrego planu piętra, oddzielając jak najwięcej analogowych, cyfrowych i zasilających na początek, albo
płyniesz w
@Kortuk: Howard Johnson w „High Speed ​​Digital Design” zdecydowanie popiera jeden samolot naziemny.
darron
1

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”).

Producent zabawek
źródło
To rzeczywiście sygnały zegarowe dla ADC. Wejścia oscylatora kwarcowego znajdują się w analogicznej części układu. Zdecydowałem się nie używać zewnętrznego kryształu, ale zapewniam zewnętrzny sygnał zegara. Sygnał ten jest generowany centralnie w sekcji cyfrowej i rozprowadzany po całej płycie poprzez bufor.
Bianco Zandbergen
@Bianco, to brzmi jak źródło dużej ilości problemów z hałasem. Zegary wysokiej częstotliwości są diabłem w szczegółach.
Kortuk
Teraz przerabiam swój projekt, aby używać wielu źródeł zegara zamiast jednego centralnego. Chcę uniknąć niepotrzebnego drwiny z diabłem.
Bianco Zandbergen
Oprócz sygnału zegara, linie danych ADC również będą musiały zostać podłączone - wiele ADC zaprojektowano tak, aby miały oddzielne DGND i AGND oraz aby oddzielić cyfrowe styki od analogu - możesz następnie podzielić płaszczyzny uziemienia bezpośrednio pod układami scalonymi (patrz analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf rysunek 8) Czy ta separacja nie istnieje w ADC?
Toybuilder
1

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.

ajs410
źródło
1
To naprawdę zależy od planszy. W przypadku 4-warstwowej płytki drukowanej masz całkowitą rację. W przypadku płyt z więcej niż 4 warstwami lepiej byłoby umieścić zegary na wewnętrznej warstwie (między płaszczyznami zasilania / uziemienia). Jeśli między górną a pierwszą płaszczyzną znajduje się warstwa sygnałowa, impedancja śladów na górze będzie straszna, więc umieszczenie zegara na innej warstwie może być plusem. I wreszcie, w przypadku BGA często nie można wyciągnąć sygnału bez przejścia do wewnętrznej warstwy - w takim przypadku nie masz wyboru. Pomaga umieścić korek w pobliżu zegara, aby zmniejszyć prądy w pętli.
1

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.

supercat
źródło
1

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.

Tim Coyle
źródło
0

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.

analogsystemsrf
źródło