原创 PCB板的跨分割设计

  在电路设计的时候，在一块PCB板上存在多种电源、多种地的情况越来越多，例如48V,12V- 12V,5V,-5V,3.3V,2.5V,1.8V1.5V等电源中常见的种类，AGND（模拟地）DGND（数字地）、PGND（保护地）等不同功能所需的地平面纵横交错，一部分IC明确要求本IC要进行单点接地，以及所需的电源、地平面挖空。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，电路板制作的本钱大幅度升高。前面说过，电路板的制作本钱和叠层数成正比。为了兼顾节约本钱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，这就是跨分割题目。这些也往往是电子工程师轻易忽略的题目。跨分割题目的产生主要有两个来源： 
 
  1、电源/地平面的分割 
  如图4-12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，跨分割题目产生了。 
    
  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）器件在管脚定义时假如分布得不公道，而管脚之间的间隔很小，会在地层或者定义层造成了一个狭长的隔离带。假如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4-13所示的走线。 
 
  这些布线表面上无可挑剔：整洁，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、地层分割题目。 
  在图4-13 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4-14所示，假如有走线穿过这个分割带时，跨分割题目也产生了。这类题目主要出现在电路中总线布线时轻易出现，必须引起广大工程师的留意。 
  同样地，当通孔（包括焊盘和过孔）穿过地/电源平面时，假如通孔之间的间隔靠得过近，上述题目也就同样出现了。这类题目主要出现在密集插装（压接） 器件管脚定义不当时轻易出现。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题目。 
 
   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）轻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，使输出的波形轻易振荡； 
  （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4-15给出了一个地槽引起高频信号产生串扰的示意图。 
   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，还会由于上平面、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。从对比的结果很轻易看到跨分割的影响。