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干货 | PCB设计工程师一定要了解的“跨分割”

电子工程世界 2021-01-10 00:00
【50份好礼】首发直播： 解密Keysight最新模拟信号源 精密双向电流感应放大器设计方案
在PCB设计过程中，电源平面的分割或者是地平面的分割，会导致平面的不完整，这样信号走线的时候，它的参考平面就会出现从一个电源面跨接到另一个电源面，这种现象我们就叫做信号跨分割。

跨分割现象示意图

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：

a.会导致走线的的阻抗不连续；
b.容易使信号之间发生串扰；
c.会引发信号之间的反射；
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；
e.增加向空间的辐射干扰，同时容易受到空间磁场的影响；
f.加大与板上的其它电路产生磁场耦合的可能性；
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。

PCB设计中跨分割的处理


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：

2、跨线桥接


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。


知识扩展：高速信号布线技巧


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。


7、信号线尽量走在内层


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。

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