Стратегии оптимизации сегментации силовых и наземных самолетов для снижения шума

Шумовая связь между силовыми и наземными плоскостями остается одной из самых постоянных проблем в высокоскоростной цифровой, радиочастотной и смешанной сигнальной ПХД конструкции. По мере того, как скорость передачи данных растет и напряжение питания уменьшается, даже небольшое количество сопряженного шума может ухудшить целостность сигнала, вызвать ошибки синхронизации или десенсибилизировать радиоприемники. Правильная сегментация мощности и наземных плоскостей является проверенной техникой для изоляции шумных цепей от чувствительных, но она должна быть выполнена тщательно, чтобы избежать создания непреднамеренных антенн или разрывов пути возврата. Эта статья предоставляет всеобъемлющее практическое руководство по оптимизации мощности и сегментации наземной плоскости для снижения шумовой связи, охватывая фундаментальные принципы, действенные стратегии, общие подводные камни и передовые методы проектирования.

Основы сочетания шума и шума наземного самолета

В многослойной ПХБ твердая мощность и наземные плоскости обеспечивают низкоиндуктивные обратные пути для высокоскоростных сигналов и распределяют мощность постоянного тока с минимальным падением ИК. Однако эти плоскости также образуют непреднамеренные линии передачи и резонаторы полостей. Когда коммутационная цепь выводит из плоскости питания переходный ток, обратные токи на плоскости земли должны следовать по пути сигнала. Если обратный путь прерывается разрывом или щелью, ток должен найти альтернативный маршрут, увеличивая площадь петли и излучающий шум. Этот шум может соединяться в другие цепи, разделяющие ту же самую плоскую полость, особенно на частотах, где электрическая длина плоскости приближается к четверти длины волны.

Сегментация предполагает деление непрерывной плоскости на электрически изолированные или частично изолированные области.Цель состоит в том, чтобы ограничить высокочастотный шум, создаваемый цифровым переключением или усилителями мощности радиочастот, локальной областью, не давая ей распространяться на чувствительные аналоговые входные стадии или осцилляторы с низким уровнем шума.В то же время сегментация должна сохранять пути возврата с низким уровнем давления для сигналов, которые пересекаются между областями.Достижение этого баланса требует тщательного планирования схемы сегментации, посредством размещения и развертывания конденсатора сшивания.

Стратегии эффективной сегментации силовых и наземных самолетов

Сегмент основан на функциональных блоках

Наиболее фундаментальная стратегия заключается в разделении плоскостей питания и земли в соответствии с основной функцией схемы: аналоговой, цифровой, радиочастотной, управления питанием и ввода/вывода. Каждый функциональный блок часто использует выделенный домен напряжения и имеет различную помехоустойчивость. Например, цифровой процессор может генерировать переключающий шум в несколько сотен милливольт, в то время как аналого-цифровой преобразователь может потребовать рябь питания ниже 1 мВ. При назначении отдельных областей плоскости для этих блоков и подключении их только через узкие мосты, ферритовые бусины или выделенные энергетические острова вы предотвращаете цифровой шум от загрязнения аналогового питания.

Практическая реализация часто включает в себя топологию «звезда» или «дезиз-цепь» для распределения мощности. Общий подход заключается в том, чтобы направлять основной вход мощности на центральный регулятор, затем вентилировать на отдельные плоские острова с использованием широких медных следов или нескольких проходов. Каждый остров связан с регулятором через свой собственный путь с низким сопротивлением. Наземные плоскости аналогично разделены, с тщательным вниманием к тому, где сигналы пересекаются между островами.

Поддерживать адекватное разделение между сегментами

Физический разрыв между плоскими сегментами имеет решающее значение. Если разрыв слишком мал, паразитная емкость может связывать шум через границу. Если слишком велик, разрыв может действовать как слот-антенна, излучающая или принимающая энергию. Как правило, разделение должно составлять не менее 10 милс (0,25 мм) для низкочастотных аналоговых схем и до 50 милс (1,27 мм) для высокоскоростных цифровых или радиочастотных секций. Точное расстояние зависит от рабочей частоты, диэлектрической толщины и требуемой изоляции. Инструменты моделирования, такие как 3D-EM-решатели поля, могут помочь определить оптимальную ширину разрыва для данной цели отклонения шума.

Для частот выше 1 ГГц даже небольшой зазор может представлять значительную прерывистость импеданса. В таких случаях сегментированные плоскости часто избегают полностью в пользу непрерывной наземной плоскости с тщательным размещением компонентов и изолированными островами мощности на соседних слоях. Когда сегментация неизбежна, рассмотрите возможность использования «рова» вокруг шумного блока, с помощью ограждения по краям рва для подавления резонансов полостей.

Используйте слоты и слоты намеренно

Разрывы (пробелы) и щели в силовой или наземной плоскости могут использоваться для направления обратных токов и изоляции секций. Однако каждый разрыв является потенциальным источником разрыва обратного пути. Если высокоскоростной след пересекает щель в смежной земле или плоскости мощности, ток возврата должен обходить щель, увеличивая область петли и вызывая излучение общего режима. Чтобы избежать этого, маршрутизируйте все высокоскоростные сигналы по непрерывным наземным опорным плоскостям. Когда сигнал должен пересекать сегментированные наземные области, обеспечивайте широкий медный мост (часто называемый «стикирующим мостом») или поместите несколько конденсаторов для переноса обратного тока через зазор на высоких частотах.

В некоторых конструкциях намеренное добавление небольшого слота может изолировать шумный островок питания от чувствительной секции. Слот должен быть как можно короче и располагаться перпендикулярно потоку тока. Избегайте L-образных или U-образных слотов, так как они создают резонансные структуры, которые могут излучать на определенных частотах. Если слот неизбежен, найдите его вблизи края доски, где его излучение с меньшей вероятностью будет соединяться с близлежащими схемами.

Внедрение через ограждение и защитные кольца

С помощью ограждения применяется техника размещения ряда грунтовых сквозняков вокруг чувствительного или шумного блок-цепи. Сквозняки соединяют верхний слой грунта с внутренней плоскостью грунта, создавая виртуальную "стену", которая ограничивает электрические поля и уменьшает резонанс полости. Для лучшей производительности расстояние между сквозняками должно быть менее одной двадцатой длины волны при наибольшей интересующей частоте. Например, при 2 ГГц λ/20 в FR4 (εr≈4.5) составляет примерно 3,5 мм, поэтому сквозняки должны располагаться не более чем на 3-4 мм друг от друга. Двойной ряд сквозняков обеспечивает еще лучшую изоляцию.

Охранные кольца похожи, но используют медное кольцо (часто соединенное с землей) по периметру изолированной области. В сочетании с ограждением защитные кольца могут обеспечивать 20-40 дБ изоляции между областями внутри одного слоя ПХБ. Однако защитные кольца также могут действовать как резонансные петли, если они не правильно завершены; убедитесь, что кольцо имеет несколько грунтов через соединения с плоскостью ниже.

Оптимизация распределения мощности для минимизации шумовых путей

Сети распределения мощности (PDN) должны быть спроектированы так, чтобы поддерживать локальное переключение токов. Используйте выделенные островки питания для каждого домена напряжения и подключайте их к основному источнику питания через пути с низкой индуктивностью, такие как множественные параллельные каналы или короткие плоские мосты. Избегайте пробега длинных узких следов мощности между сегментами, поскольку они увеличивают индуктивность и стимулируют шумовое соединение. Для высокоскоростных цифровых блоков используйте широкие области мощности, близкие к ИС, с локальными конденсаторами разъединения, расположенными непосредственно между островом питания и наземной плоскостью.

Сегментация может также применяться к наземной плоскости, но с большой осторожностью. При расщеплении наземной плоскости можно изолировать шумные обратные токи, но она также создает слоты, которые могут нарушить пути возвращения сигнала. Лучший подход заключается в том, чтобы сохранить одну непрерывную наземную плоскость (или, по крайней мере, твердый наземный слой) и использовать только сегментацию плоскости мощности, полагаясь на наземную плоскость, чтобы обеспечить ссылку с низкой индуктивностью. Если наземная сегментация необходима, убедитесь, что все сигналы, которые пересекают наземные острова, сопровождаются выделенным наземным обратным путем через мост или конденсатор.

Дизайн-соображения и общие подводные камни

Вернуть целостность пути

Каждый высокоскоростной сигнал должен иметь обратный путь непосредственно под следом, как правило, на прилегающей плоскости земли. Если плоскость земли сегментирована, ток возврата не может следовать за сигналом - он должен идти вокруг слота, создавая большую петлю, которая излучает шум. Для поддержания целостности пути возвращения никогда не маршрутизировать высокоскоростной след через слот в земле или плоскости мощности. Если след должен пересекать сегментированную область, поместите конденсатор сшивания (обычно от 100 нФ до 1 мкФ) между двумя наземными сегментами вблизи точки пересечения или используйте наземный мост (широкая медная область) для обеспечения непрерывного пути возврата. Для дифференциальных сигналов оба следа должны одновременно пересекать слот для поддержания баланса.

Избегать непреднамеренных слот-антенн

Длинные слоты в силовых или наземных плоскостях могут резонировать на частотах, определяемых их длиной. Слот, длина которого составляет половину длины волны, становится очень эффективным радиатором, связывающим шум в другие цепи и даже вызывающим сбои ЭМС. Чтобы избежать этого, держите все слоты короче λ/20 на самой высокой частоте, присутствующей на плате. Если для изоляции необходим более длинный слот (например, вокруг острова питания), разбейте слот на более короткие секции с небольшими мостами или прошивками. Альтернативно, используйте «населенный» слот с периодическими наземными слотами по всей его длине, чтобы электрически сократить его.

Сшивание конденсаторов и заземление

Когда сигналы или мощность должны пересекаться между сегментированными плоскими областями, конденсаторы сшивания обеспечивают высокочастотное соединение для обратных токов переменного тока при сохранении изоляции постоянного тока (при необходимости). Конденсаторы должны быть размещены как можно ближе к точке пересечения, как правило, в пределах 0,1 дюйма от сигнальных сред. Используйте конденсаторы с низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), такие как диэлектрики X7R или C0G размера 0402 или 0201. Для дифференциальных сигналов помещайте два симметричных конденсатора сшивания, по одному для каждого заземления. В конструкциях со смешанным сигналом, где аналоговые и цифровые основания разделены, одноточечное заземление соединение (узкий мост под ADC) часто работает лучше, чем несколько конденсаторов, поскольку оно заставляет обратные токи сходиться в одном месте.

Моделирование и проверка

Учитывая сложность сегментации плоскости, полагаться только на правила большого пальца рискованно. Инструменты 3D-эмлектронного моделирования (например, Ansys HFSS, CST Studio или Keysight ADS) позволяют моделировать стекап плоскости, визуализировать распределение тока и идентифицировать резонансные частоты. Имитация профилей импеданса PDN для каждого сегмента и проверка пиков, которые указывают на резонанс. Используйте рефлектометрию временной области (TDR) на прототипах, чтобы проверить, что разрывы обратного пути находятся в приемлемых пределах. Для РЧ-проектов векторный сетевой анализатор может измерять изоляцию между сегментами для проверки конструкции.

Передовые методы для высокоскоростных и высокочастотных конструкций

Многоуровневые стратегии Stackup

В сложных конструкциях со многими доменами напряжения одной плоскости мощности может быть недостаточно. Рассмотрите возможность использования нескольких слоев плоскости мощности, каждый из которых посвящен определенному напряжению, с переплетенными плоскостями земли. Например, 12-слойная стекап может иметь GND, 1,8V, 3.3V, GND, 1,0V, GND и т. Д. Плоскости мощности должны перекрываться с наземными плоскостями, чтобы сформировать хорошо контролируемую линию передачи для шума питания. При сегментации плоскостей питания сохраняйте плоскости земли непрерывными - не делите землю, если это абсолютно необходимо. Используйте микровизы или слепые прокладки для подключения компонентов к соответствующим слоям плоскости без создания разрывов.

Встроенная емкость

Для дальнейшего подавления шумовой связи используют тонкие диэлектрические слои между силовыми и наземными плоскостями для создания встроенной емкости. Тонкий диэлектрик (например, 2 мили или тоньше) увеличивает межпланетную емкость, что снижает импеданс переменного тока на высоких частотах. Это может смягчить необходимость агрессивной сегментации, поскольку сама пара плоскостей становится лучшим шумовым фильтром. Моделирование показывает, что встроенная емкость может уменьшить резонансы полости на 10-20 дБ в сочетании с надлежащими схемами сегментации.

Дифференциальная парная маршрутизация по сегментированным регионам

Если дифференциальная пара должна пересекать сегментированную плоскость земли, два следа должны быть симметричны и близки друг к другу. Возвращающий ток для дифференциальной пары в идеале равен нулю (токи обычного режима почти равны нулю), поэтому пара менее чувствительна к зазорам плоскости земли, чем одноконечные сигналы. Однако любая асимметрия в следах или пересечении преобразует дифференциальный шум в общий режим, вызывая излучение. Поддерживать симметрию и рассмотреть возможность добавления конденсатора сшивания под перекрестком для подавления резонанса общего режима.

Пример из реального мира: ПХБ со смешанными сигналами

Рассмотрим доску, содержащую высокоскоростную FPGA (1,8 В ядро, 3,3 В I/O), 12-битный ADC (5 В аналог, 1,8 В цифровой), и RF усилитель (3.3 В). Без сегментации, переключение шума от FPGA пар в аналоговый запас ADC, сокращение эффективного количества битов (ENOB) на 2-3 бит. Решение: создать три острова питания - по одному для ядра FPGA, FPGA I/O и аналог ADC (усилитель RF делит остров 3.3 В с выделением). Подключить каждый остров к основному регулятору через широкий след или отдельный LDO. Соединить каждую плоскость земли с широким сечением или отдельным LDO. Держать плоскость земли непрерывной под аналоговым сечением ADC, но добавлять узкий слот (20 мил) между аналоговым и цифровым наземным областям под пакетом ADC, с одноточечным наземным мостом на ADC наземной площадке. Поместить через ограждение вокруг аналогового сечения ADC с 3 мм через расстояние. Используйте шесть конденсаторов сшивания (100 НФ

Заключение

Оптимизация сегментации силовых и наземных плоскостей является мощной, но тонкой техникой для снижения шумовой связи в высокопроизводительных ПХД. Эффективная сегментация требует четкого понимания путей возврата, тщательного функционального разделения, дисциплинированного использования зазоров и сквозняков и тщательного моделирования. Инженеры должны избегать общих ошибок, таких как слот-антенны, сломанные пути возврата и неадекватное разделение. Применяя стратегии, изложенные в этой статье - функциональная сегментация, адекватный интервал, преднамеренные разрывы, с помощью ограждения и правил оптимизации PDN - в сочетании с современными инструментами моделирования и передовой практикой компоновки, дизайнеры могут достичь значительного снижения шума, улучшенной целостности сигнала и надежной работы системы. Для дальнейшего чтения, обратитесь к руководству по сегментации энергетических плоскостей Altium и примечания к приложениям от Аналоговые устройства . Кроме того, Журнал целостности сигналов Журнал дисциплинированного