为了保证这些地、电源都有高的可靠性,将每一种电源、地分配一层,即一个平面,必然导致电路板叠层的增加,电路板制作的成本大幅度升高。前面说过,电路板的制作成本和叠层数成正比。为了兼顾节约成本和保证电路板的可靠性,工程师在PCB设计的时候,会按照电路板的特点、将两种或者几种PCB的电源或地设计在同一个平面上,从而导致了电源、地平面的不完整,即地(电源)层人生就是博手机版分割。
一、PCB板的跨分割设计
电路上PCB走线穿过地(电源)层分割,信号的完整性会受到很大的影响,以及电路的EMI和EMC特性也发生变化,这就是跨分割问题。这些也往往是电子工程师容易忽略的问题。跨分割问题的产生主要有两个来源:
1、电源/地平面的分割
如图1所示,在同一层(地层)上有模拟地和数字地的分割。当PCB走线穿过这个分割带时,跨分割问题产生了。
模拟地和数字地的分割
2、密集过孔或密集插装(压接)器件管脚定义不当造成的分割
密集过孔或密集插装(压接)器件在管脚定义时如果分布得不合理,而管脚之间的距离很小,会在地层或者定义层造成了一个狭长的隔离带。如果有走线穿过这个分割,就造成做跨分割现象。
我们先看看如图2所示的走线。
整齐规划的布线
这些布线表面上无可挑剔:整齐,漂亮,也是一般电子或电路工程师所喜欢的布线方式。我们再看一下这些过孔对应区域的电源/地平面,就会发现产生了电源、地层分割问题。
在图2 中,由于过孔间距过近,在电源/地平面上造成一条长长分割带,如图3所示,如果有走线穿过这个分割带时,跨分割问题也产生了。这类问题主要出现在电路中总线布线时容易出现,必须引起广大工程师的注意。
通过地层看到的造成的分割现象
同样地,当通孔(包括焊盘和过孔)穿过地/电源平面时,如果通孔之间的距离靠得过近,上述问题也就同样出现了。这类问题主要出现在密集插装(压接)器件管脚定义不当时容易出现。因此,在定义密集插装(压接)器件管脚信号时,不仅要考虑信号的个数种类,还必须考虑信号总线的排列方式,避免对电源、地平面造成分割带来跨分割问题。
二、PCB板的跨分割走线的危害
跨分割走线的主要危害包括:
(1)导致走线的阻抗不连续;
(2)容易使信号之间发生串扰;
(3)可能引起信号的反射;
(4)增大电流环路面积,加大环路电感,使输出的波形容易振荡;
(5)增加向空间的辐射干扰,同时易受空间磁场的影响;
(6)加大与板上其他电路产生磁场耦合的可能性;
(7)环路电感上的高频压降构成共模辐射源,并通过外接电缆产生共模辐射。
为了形象地描述跨分割走线对电路的危害,我们用图4给出了一个地槽引起高频信号产生串扰的示意图。
地平面开槽引起信号的串扰
对于需要严格的阻抗控制、按带状线模型走线的高速信号线而言,还会因为上平面、下平面或上下平面的开槽破坏带状线模型,造成阻抗的不连续,引起严重的信号失真,使信号的可靠度下降。
为了形象地描述跨分割走线对电磁干扰的影响,笔者进行“了试验对比。从对比的结果很容易看到跨分割的影响。
在一块PCB板上布了两根走线,两者激励源相同,负载完全一样,均走在同一布线层,长度均为6000MIL,惟一不同的是,一个跨了平面分割,另外一个参考平面完整。通过开关切换,在保证外部条件完全相同的情况下,分别让其中的一个网络上电,在半波暗室测试结果如下:
信号跨分割区会增加辐射8dB-10dB;具体增加的辐射强度取决于跨分割导致的回流路径回路面积的大小,也与周围的电磁干扰环境有关。如果一条时钟线在对外接口线缆附近跨分割布线,其导致的电磁干扰强度可能超过20dB。由此可见跨分割布线会造成很大的电磁干扰,不仅干扰自身,同时它的电磁辐射还会对周围其他的电路或系统造成干扰。因此,我们在布线的时候一定要注意,尽量避免跨分割走线。
三、PCB板避免跨分割的办法
跨分割走线给电路带来很大的危害,我们在实际电路的时候,应该尽量避免造成跨分割现象,主要注意以下几点:
(1)走线避免穿越分割带,走线的时候考虑地、电源的分割,让走线绕开电源的分割问题,也可以增加电路的叠层数来避免跨分割问题。
(2)通常布线的时候,电源分割是在不信号线之后设计,做电源或地分割时,一定要注意在地、电源分割的时候,会对哪些信号造成影响,会造成哪些信号线的跨分割走线,哪些是我们可以避免的,注意适当地调整地、电源分割。
(3)过孔设计和散孔不应过于密集,造成地、电源平面的隔离带。
(4)插装器件或者接插件在定义时,要分布地合理,充分考虑对地、电源平面的影响,是否造成分割,导致EMI增强。
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