Este acoplamiento de ruido entre los planos de potencia y tierra sigue siendo uno de los desafíos más persistentes en el diseño PCB digital de alta velocidad, RF y mixto. A medida que las tasas de escalada y los voltajes de suministro disminuyen, incluso pequeñas cantidades de ruido acoplado pueden degradar la integridad de la señal, causar errores de tiempo, o desensibilizar receptores de radio.

Fundamentos de la energía y el plano terrestre

En un PCB multicapa, los planos de energía sólida y tierra proporcionan vías de retorno de baja inductancia para señales de alta velocidad y distribuyen la potencia DC con una mínima gota IR. Sin embargo, estos aviones también forman líneas de transmisión no intencionales y resonadores de cavidad. Cuando un circuito de conmutación dibuja una corriente transitoria del plano de potencia, las corrientes de retorno en el plano de tierra deben seguir el camino de señal.

La segmentación implica dividir un plano continuo en regiones aisladas eléctricamente o parcialmente aisladas. El objetivo es limitar el ruido de alta frecuencia generado por los amplificadores de potencia de conmutación digital o RF a una zona local, impidiéndole propagar a etapas de entrada analógica sensibles o osciladores de baja altura. Al mismo tiempo, la segmentación debe preservar los caminos de retorno de baja potencia para señales que atraviesan entre regiones.

Estrategias para la reducción efectiva del poder y del plan de tierra

Segmento basado en bloques funcionales

La estrategia más fundamental es dividir los planos de potencia y tierra según la función principal del circuito: analógico, digital, RF, gestión de energía e I/O. Cada bloque funcional a menudo utiliza un dominio de tensión dedicado y tiene tolerancia al ruido. Por ejemplo, un procesador digital puede generar ruido de conmutación de varios cientos de milivolts, mientras que un convertidor analógico puede requerir la fuente de energía onda debajo de 1 mV.

La implementación práctica suele implicar una topología de "estrella" o "cadenía de ruido" para la distribución de energía. Un enfoque común es el de la entrada de energía principal a un regulador central, luego aflojarse a las islas individuales de plano usando grandes trazas de cobre o múltiples vias. Cada isla está conectada de nuevo al regulador a través de su propio camino de baja impedancia.

Mantener la separación adecuada entre los segmentos

La distancia física entre segmentos de avión es crítica. Si la brecha es demasiado pequeña, la capacitancia parasitaria puede hacer ruido en el límite. Si es demasiado grande, la brecha puede actuar como una antena de ranura, irradiando o recibiendo energía. Como regla del pulgar, la separación debe ser al menos 10 milímetros (0,25 mm) para circuitos analógicos de baja frecuencia, y hasta 50 milímetros (1,27 mm) para el aislamiento digital de alta velocidad.

Para frecuencias superiores a 1 GHz, incluso una pequeña brecha puede presentar una impedancia significativa discontinuidad. En tales casos, los planos segmentados se evitan a menudo completamente a favor de un plano de tierra continuo con colocación de componentes cuidadosos y las islas de poder aisladas en capas adyacentes. Cuando la segmentación es inevitable, considere utilizar un "moat" alrededor del bloque ruido, con el esgrima a lo largo de los bordes para suprimir la resonancia de la cavidad.

Usar las interrupciones y ranuras intencionalmente

Las roturas (gaps) y las ranuras en el plano de potencia o tierra pueden utilizarse para guiar las corrientes de retorno y las secciones aisladas. Sin embargo, cada rotura es una fuente potencial de discontinuidad de retorno-path. Si un rastro de alta velocidad cruza una ranura en un terreno adyacente o plano de potencia, la corriente de retorno debe desviarse alrededor de la ranura, aumentando el área de lazada y causando radiación común.

En algunos diseños, añadir una pequeña ranura puede aislar una isla de poder ruidosa de una sección sensible. La ranura debe ser lo más corto posible y colocado perpendicular al flujo actual. Evite las ranuras en forma de L o en forma de U, ya que estos crean estructuras resonantes que pueden irradiar en frecuencias específicas. Si una ranura es inevitable, localizarlo cerca del borde de la tabla donde su radio es menos probable que se acopla.

Implementar Via Fencing and Guard Rings

El esgrima es una técnica de colocar una fila de terreno en torno a un bloque de circuito sensible o ruidoso. Los vias conectan el suelo de capa superior al plano interior del suelo, creando un "wall" virtual que confine los campos eléctricos y reduce la resonancia de cavidad. Para el mejor rendimiento, el espaciado entre vias debe ser inferior a un-twentieth de la longitud de onda en la mayor frecuencia de interés.

Los anillos de guardia son similares pero usan un anillo de cobre (a menudo conectado a tierra) alrededor del perímetro de la región aislada. Cuando se combina con el esgrima, los anillos de guardia pueden proporcionar 20–40 dB de aislamiento entre regiones dentro de la misma capa PCB. Sin embargo, los anillos de guardia también pueden actuar como bucles resonantes si no terminan correctamente; asegurar que el anillo tiene múltiples terrenos a través de conexiones al plano de abajo.

Optimize Power Distribution to Minimize Noise Paths

Las redes de distribución de energía (PDNs) deben diseñarse para mantener las corrientes de conmutación local. Utilice islas de potencia dedicadas para cada dominio de tensión, y conectarlas al suministro principal a través de caminos de baja inductancia como múltiples vias paralelas o puentes de planificación corta. Evite correr largos y estrechos rastros de potencia entre segmentos, ya que estos aumentan la inductancia y fomentan el acoplamiento de ruido.

La segmentación también se puede aplicar al plano terrestre, pero con gran precaución. Mientras que dividir el plano terrestre puede aislar las corrientes de retorno ruidosas, también crea ranuras que pueden interrumpir las rutas de retorno de señales. Un mejor enfoque es mantener un solo plano de tierra continuo (o al menos una capa de tierra sólida) y utilizar la segmentación de los aviones de energía sólo, dependiendo del plano de tierra para proporcionar una referencia de condensación de baja inductancia.

Consideraciones de diseño y saltos comunes

Camino de retorno Integridad

Cada señal de alta velocidad debe tener un camino de retorno directamente debajo del trazo, típicamente en un plano de tierra adyacente. Si el plano de tierra está segmentado, la corriente de retorno no puede seguir la señal – debe ir alrededor de la ranura, creando un gran lazo que irradia el ruido. Para mantener la integridad de la ida y vuelta, nunca se debe trazar un trazo de alta velocidad sobre una ranura en el suelo o plano de potencia.

Evitar las antenas de ranura no intencional

Las ranuras largas en los planos de potencia o tierra pueden resonar a frecuencias determinadas por su longitud. Una ranura que es media longitud de onda se convierte en un radiador muy eficiente, acoplamiento de ruido en otros circuitos e incluso causando fallas EMC. Para evitar esto, mantener todas las ranuras más cortas que λ/20 en la frecuencia más alta presente en el tablero. Si una ranura más larga es necesaria para el aislamiento (por ejemplo, alrededor de una isla de energía corta duración de la ranura de la ranura de puente de la ranura de la ranura de puente de puente de la ranura de la ranura de la ranura de la ranura de la ranura de la distancia

Capacitadores de picazón y puesta en tierra

Cuando las señales o la potencia deben cruzar entre las regiones de plano segmentadas, los condensadores de puntada proporcionan una conexión de alta frecuencia para las corrientes de retorno de AC mientras mantienen el aislamiento de DC (si es necesario).Los condensadores deben ser colocados lo más cerca posible al punto de cruce, normalmente dentro de 0.1 pulgadas de los vias de señal mixta.

Simulación y Verificación

Debido a la complejidad de la segmentación de plano, confiar en reglas de la misma es arriesgado. Herramientas de simulación electromagnética 3D (por ejemplo, Ansys HFSS, CST Studio o Keysight ADS) le permiten modelar el apilado de planos, visualizar la distribución actual, e identificar frecuencias resonantes. Simular los perfiles de impedancia PDN para cada segmento y verificar los límites de reinicio de reinicio

Técnicas avanzadas para diseños de alta velocidad y alta frecuencia

Estrategias de apilación de múltiples capas

En diseños complejos con muchos dominios de tensión, un solo plano de potencia no puede bastar. Considere el uso de múltiples capas de plano de potencia, cada una dedicada a un voltaje específico, con planos de tierra interleadas. Por ejemplo, un apilado de 12 capas podría tener GND, 1.8V, 3.3V, GND, 1.0V, GND, etc. Los aviones de energía deben sobreponerse con planos de tierra para formar una línea de transmisión bien controlada para el ruido de suministro.

Concitación embedida

Para suprimir aún más el acoplamiento de ruido, utilice capas dieléctricas delgadas entre los planos de potencia y tierra para crear capacitancia incrustada. La dieléctrica delgada (por ejemplo, 2 mil o más) aumenta la capacitancia interplane, lo que reduce la impedancia AC en frecuencias altas. Esto puede mitigar la necesidad de segmentación agresiva porque el par de avión se convierte en un mejor filtro de ruido.

Diferencial de pares en las regiones segmentadas

Si un par diferencial debe cruzar un plano de tierra segmentado, los dos rastros deben mantenerse simétricos y cerrar juntos. La corriente de retorno para un par diferencial es idealmente cero (las corrientes de modo común son casi cero), por lo que el par es menos sensible a las brechas de plano de tierra que las señales de un solo retenimiento. Sin embargo, cualquier asimetría en los trazos o cruce convertirá el ruido diferencial en punto de condensación común, causando radiación.

Ejemplo: PCB de señal mixta

Considere un tablero que contiene una FPGA de alta velocidad (1.8V núcleo, 3.3V I/O), un ADC de 12 bits (5V analógico, 1.8V digital), y un amplificador RF (3.3V). Sin segmentación, cambiar el ruido de las parejas FPGA en el suministro analógico ADC, reduciendo el número efectivo de bits (ENOB) por 2-3 bits.

Conclusión

Optimización de la secuencia de flujos de avión es una técnica potente pero matizada para reducir el acoplamiento de ruido en PCB de alto rendimiento.Segmento de referencia/disminución de alta potencia de la secuencia de referencia: Hegurización de datos/disminución de sistemas de control de datos/disminución de datos.