參考平面中的slot和split

參考平面中的分割有兩種，一種英文稱為slot, 一種英文稱為split，兩者有相同之處，也有不同之處。

相同之處是，兩者都會造成EMI和信號完整性問題；

不同之處是，slot是部分分割，而split是完全分割，如下圖所示。

設(shè)計人員在設(shè)計混合模擬/數(shù)字板時，為了減少數(shù)字區(qū)域?qū)δM區(qū)域的串?dāng)_，會對其參考平面進(jìn)行分割。

在EMC文獻(xiàn)中，通常建議以分割地平面的方法，來減少模擬電路和數(shù)字電路之間的串?dāng)_。

但是，在下圖中，對地的進(jìn)行分割，反而起到了相反的效果。因?yàn)樵谶@個slot上面，有多個數(shù)字信號走線，來自驅(qū)動器的數(shù)字回流無法立即從走線下方流回，而只能繞著slot流動。有一小部分回流，會以位移電流的形式通過間隙電容。

所以，回流相對于信號走線形成一個大環(huán)路，這大大增加了電流環(huán)路電感，從而引起輻射發(fā)射和串?dāng)_，而這些問題，卻是設(shè)計人員最初想避免的問題。

情形1：電源層分割，接地層連續(xù)

在設(shè)計高速硬件電路時，比如FPGA電路等，通常會有多個電源域，分布在同一電源層中。如下左圖所示。

更具體的，如下右圖所示。PCB的疊層為四層板，L1和L2是信號平面，L2是電源平面，L3是地平面。

其中地平面DGND是連續(xù)的，但電源平面是分割的。

理想情況下，是希望所有的走線都能布在L4層，因?yàn)榕c該層相鄰的是完整的地平面。

但是，總有一些走線，必須在L1層，而L1層下方是分割的電源平面。

這時的回流路徑是什么樣的呢?

這時，就需要依靠板子上的去耦電容，來為回流提供繞行路徑。如下左圖所示。

回流通過最近的去耦電容C2流到連續(xù)的DGND平面，然后該回流又通過另一個去耦電容C1返回到電源層。所以，這個時候，電容器的阻抗也對回流環(huán)路的總阻抗起著重要影響。

所以，當(dāng)(DGND)接地平面連續(xù)時，它仍可提供暢通無阻的信號電流返回路徑，雖然這個回流路徑稍稍大了點(diǎn)。

情形2：電源層和接地層都分割，而且分割線在垂直方向上重合

假設(shè)走線在數(shù)字設(shè)備 IC1 和 IC2 之間布線，跨越相鄰電源平面中的一個slot, 如下圖所示，電源平面和地平面都被分割，而且分割線在垂直方向上重合。

下圖中，看上去回流可以在從數(shù)字區(qū)域流過，如藍(lán)色線所示，雖然這樣也會增大回路，導(dǎo)致EMI性能變差，但是好歹不算太離譜。

但是如果IC1移到模擬區(qū)域，如紅色線所示。這個時候，平面上的回流徹底被切斷了，如下右圖所示，那該怎么辦呢？

回流一定會需要一條替代路徑，繞過slot，回到源端。如果不采取措施的話，回流路徑就亂七八糟了。

所以，如果兩個參考平面以相同的方式分開 ，即使有去耦電容器，也無濟(jì)于事，因?yàn)楫?dāng)回流經(jīng)過相應(yīng)的參考平面時，沒法經(jīng)過gap，因?yàn)殡娫雌矫婧偷仄矫娑急环指盍恕?/p>

這時，一種解決方案，就是使用拼接電容器C1，放置在參考平面的間隙上，如下圖所示。這時，即使電源平面和地平面都被分割，該方案也能有效工作。電容器應(yīng)在相應(yīng)信號頻率下表現(xiàn)出低阻抗，以提供可接受的回流路徑。

那這些拼接電容器，該怎么放置呢?

電容器的放置和安裝對其整體性能起著重要作用。應(yīng)使用拼接電容器并將其安裝在間隙上，最好在信號走線的任一側(cè)各安裝一個。電容器應(yīng)放置在靠近穿過間隙的走線處（最好在 0.1 英寸或 2.5 毫米以內(nèi)），如下上圖所示。

為了獲得最佳性能，電容器還應(yīng)沿所有平面slot的周邊以規(guī)則的間隔放置，以便它們可用于互連間隙任一側(cè)的小平面。在所關(guān)注的最高頻率處，沿間隙的電容器之間的間距不應(yīng)超過 lamd/10，其中l(wèi)amd表示 PCB上通過的最高信號的波長。

這個時候，可能就會看到在PCB的空白處，有孤零零的幾個電容在那。所以，如果你在別人的設(shè)計中，出現(xiàn)這些孤零零的電容時，可以看看，他們下面的參考平面上，是不是有slot或者split。

拼接電容器方案的有效性

盡管拼接電容器確實(shí)為返回電流提供了最佳路徑，但它們的性能明顯受到其高頻阻抗的限制。

下圖描繪了帶有微帶線的簡單 PCB 的最大電場輻射發(fā)射示例圖。發(fā)現(xiàn)，連續(xù)金屬平面的發(fā)射幅度要比分割平面的發(fā)射幅度高20dB左右。

添加一個拼接電容器后，可以看到，在低于 100 MHz 的頻率下觀察到明顯改善，但隨著頻率的進(jìn)一步增加，輻射水平上升。當(dāng)使用兩個電容器時，輻射水平下降到和連續(xù)參考平面的輻射水平相當(dāng)。

審核編輯 ：李倩