PCB设计工程师一定要了解的“跨分割”

跨分割,对于低速信号可能没有什么关系,但是在高速数字信号系统中,高速信号是以参考平面作为返回路径,就是回流路径。当参考平面不完整的时候,会出现如下不良影响:

1. a.会导致走线的的阻抗不连续;
2. b.容易使信号之间发生串扰;
3. c.会引发信号之间的反射;
4. d.增大电流的环路面积、加大环路电感,使输出的波形容易振荡;
5. e.增加向空间的辐射干扰,同时容易受到空间磁场的影响;
6. f.加大与板上的其它电路产生磁场耦合的可能性;
7. g.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。

因此,PCB布线要尽可能靠近一个平面,并避免跨分割。若必须跨分割或者无法靠近电源地平面,这些情况仅允许在低速信号线中存在。

如果在PCB设计中不可避免的出现了跨分割,又该如何处理呢?这种情况下,需要对分割进行缝补,为信号提供较短的回流通路,常见的处理方式有添加缝补电容和跨线桥接。

1.缝补电容(Stiching Capacitor)

通常在信号跨分割处摆放一个0402或者0603封装的瓷片电容,电容的容值在0.01uF或者是0.1 uF,如果空间允许,可以多添加几个这样的电容;同时尽量保证信号线在缝补电容 200mil 范围内,距离越小越好;而电容两端的网络分别对应信号穿过的参考平面的网络,见下图中电容两端连接的网络,两种颜色高亮的两种不同网络:

常见的就是在信号层对跨分割的信号“包地处理”,也可能包的是其他网络的信号线,这个个“包地”线尽量粗,这种处理方式,参考下图。

1. 多层布线

高速信号布线电路往往集成度较高,布线密度大,采用多层板既是布线所必须的,也是降低干扰的有效手段。合理选择层数能大幅度降低印板尺寸,能充分利用中间层来设置屏蔽,能更好地实现就近接地,能有效地降低寄生电感,能有效缩短信号的传输长度,能大幅度地降低信号间的交叉干扰等。

2. 引线弯折越少越好

高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好。高速信号布线电路布线的引线最好采用全直线,需要转折,可用45°折线或圆弧转折,这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度,而在高速电路中,满足这一要求却可以减少高速信号对外的发射和相互间的耦合,减少信号的辐射和反射。

3. 引线越短越好

高速信号布线电路器件管脚间的引线越短越好。引线越长,带来的分布电感和分布电容值越大,对系统的高频信号的通过产生很多的影响,同时也会改变电路的特性阻抗,导致系统发生反射、振荡等。

4. 引线层间交替越少越好

高速电路器件管脚间的引线层间交替越少越好。所谓“引线的层间交替越少越好”,是指元件连接过程中所用的过孔越少越好。据测,一个过孔可带来约0.5pf的分布电容,导致电路的延时明显增加,减少过孔数能显着提高速度。

5. 注意平行交叉干扰

高速信号布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“交叉干扰”,若无法避免平行分布,可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰。

6. 避免分枝和树桩

高速信号布线应尽量避免分枝或者形成树桩(Stub)。树桩对阻抗有很大影响,可以导致信号的反射和过冲,所以我们通常在设计时应避免树桩和分枝。采用菊花链的方式布线,将对信号的影响降低。

高频信号线走在表层容易产生较大的电磁辐射,也容易受到外界电磁辐射或者因素的干扰。将高频信号线布线在电源和地线之间,通过电源和底层对电磁波的吸收,所产生的辐射将减少很多。