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在印刷電路板 （PCB） 設(shè)計(jì)領(lǐng)域，管理配電對(duì)于性能和可靠性至關(guān)重要。經(jīng)常出現(xiàn)的一種技術(shù)是拆分電源平面。但是，什么時(shí)候應(yīng)該拆分電源平面，為什么這很重要呢？簡(jiǎn)而言之，拆分電源層涉及將單個(gè)電源層劃分為多個(gè)部分以隔離不同的電源域，通常是為了降低噪聲并提高信號(hào)完整性。這在模擬和數(shù)字電路共存的混合信號(hào) PCB 中特別有用。

什么是電源層，為什么它們?cè)?PCB 設(shè)計(jì)中很重要？

在我們開(kāi)始拆分電源平面之前，讓我們先介紹一下基礎(chǔ)知識(shí)。電源層是多層 PCB 中的專用層，用于將電壓分配給各種組件。與單個(gè)走線不同，4 層 PCB 電源平面為電流提供低阻抗路徑，確保全板穩(wěn)定的電力傳輸。這減少了壓降并最大限度地減少了噪聲，這對(duì)于高速和混合信號(hào)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

電源層通常與接地層配對(duì)，形成信號(hào)的返回路徑，進(jìn)一步減少電磁干擾（EMI 投訴測(cè)試）。然而，在具有多個(gè)電壓電平或混合信號(hào)電路的復(fù)雜設(shè)計(jì)中，單個(gè)電源平面可能不夠。這就是電源平面分割發(fā)揮作用的地方。

什么是電源平面分割？

電源平面分割或拆分是指將電源平面劃分為不同的區(qū)域以提供不同的電壓或隔離電源域。例如，在混合信號(hào) PCB 中，電源平面的一個(gè)部分可能為數(shù)字組件提供 3.3V，另一個(gè)部分為模擬電路提供 5V。這些裂口通過(guò)銅層中的間隙在物理上分隔，從而防止域之間的干擾。

分裂通常使用護(hù)城河（平面上的間隙）或鐵氧體磁珠等隔離技術(shù)來(lái)過(guò)濾各部分之間的噪聲。目標(biāo)是使敏感電路（如模擬傳感器）免受高速數(shù)字元件產(chǎn)生的噪聲的影響。

什么時(shí)候應(yīng)該考慮拆分電源平面？

并非每個(gè) PCB 設(shè)計(jì)都需要分體式電源平面。該決定取決于您項(xiàng)目的具體要求。以下是拆分有益的一些常見(jiàn)場(chǎng)景：

• 混合信號(hào) PCB：當(dāng)您的電路板同時(shí)包含模擬和數(shù)字電路時(shí)，拆分電源平面有助于將嘈雜的數(shù)字信號(hào)與敏感的模擬組件隔離開(kāi)來(lái)。例如，以 100 MHz 切換的微控制器可能會(huì)引入噪聲，從而干擾附近運(yùn)行的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。

• 多個(gè)電壓級(jí)別：如果您的設(shè)計(jì)需要不同的電壓（例如，低功耗組件為 1.8V，其他組件為 5V），則拆分電源平面可確保每個(gè)部分獲得正確的電壓而不會(huì)受到干擾。

• 高速設(shè)計(jì)：在高速電路中，分路可以減少噪聲通過(guò)電源平面的交叉耦合，特別是當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)超過(guò) 1 GHz 時(shí)。這保持了信號(hào)完整性。

• 噪聲敏感應(yīng)用：對(duì)于醫(yī)療設(shè)備或音頻設(shè)備等應(yīng)用，即使是少量的噪聲也會(huì)降低性能，通常需要通過(guò)分路隔離電源域。

分體式電源平面優(yōu)勢(shì)

分體電源平面具有多種優(yōu)勢(shì)，尤其是在復(fù)雜或?qū)υ肼暶舾械脑O(shè)計(jì)中。讓我們探討一下這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：

1. 改進(jìn)的噪音隔離

功率平面分割的最大原因之一是降低噪聲。數(shù)字電路具有快速開(kāi)關(guān)信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生顯著的電噪聲，這些噪聲可以通過(guò)共享電源平面耦合到模擬電路中。通過(guò)拆分平面，您可以創(chuàng)建一個(gè)物理屏障，最大限度地減少這種干擾。例如，在某些設(shè)計(jì)中，將數(shù)字 3.3V 域與模擬 5V 域分離可以將噪聲耦合降低多達(dá) 20 dB。

2. 更好的信號(hào)完整性

在高速設(shè)計(jì)中，保持信號(hào)完整性至關(guān)重要。分體式電源平面降低了接地反彈和電壓波動(dòng)影響附近電路的風(fēng)險(xiǎn)。這在處理速度超過(guò) 500 MHz 的信號(hào)時(shí)尤為重要，因?yàn)榧词故呛苄〉淖杩故湟矔?huì)導(dǎo)致反射和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

3. 多種電壓的靈活性

現(xiàn)代 PCB 通常需要多個(gè)電壓電平來(lái)為不同的組件供電。通過(guò)拆分電源層，您可以為每個(gè)電壓分配特定區(qū)域，從而簡(jiǎn)化配電。例如，系統(tǒng)級(jí)芯片 （SoC） 的內(nèi)核可能需要 1.2V，I/O 引腳可能需要 3.3V，而分體式平面使其易于管理。

4. 降低 EMI

電磁干擾會(huì)對(duì) PCB 性能造成嚴(yán)重破壞。通過(guò)隔離電源域，分路減少了 EMI 在整個(gè)電路板上的傳播。這在混合信號(hào) PCB 中特別有用，如果控制不當(dāng)，數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)輻射并干擾模擬信號(hào)。

Split Power Plane 的缺點(diǎn)

雖然拆分電源平面有明顯的好處，但并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。了解缺點(diǎn)有助于您權(quán)衡此技術(shù)是否適合您的設(shè)計(jì)。

1. 設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加

拆分電源層會(huì)增加 PCB 布局的復(fù)雜性。您需要仔細(xì)規(guī)劃分路的布局，確保跨間隙的走線正確布線，并添加濾波元件，如鐵氧體磁珠或去耦電容器。這會(huì)增加設(shè)計(jì)時(shí)間和錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在高密度電路板中。

2. 可能存在返回路徑問(wèn)題

當(dāng)你 split 一個(gè) power plane 時(shí)，你也會(huì)影響 signals 的返回路徑。如果信號(hào)走線穿過(guò)分線，而附近沒(méi)有返回電流的接地層，則可能導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題，如串?dāng)_或阻抗增加。例如，穿過(guò)分離的高速信號(hào)可能會(huì)看到返回路徑阻抗從 50 歐姆跳到 100 歐姆以上，從而導(dǎo)致反射。

3. 制造成本較高

拆分通常需要額外的層或更精確的制造工藝，這可能會(huì)提高定制 PCB 的成本。雖然標(biāo)準(zhǔn)的四層板可能足以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的電源層，但分體式設(shè)計(jì)可能需要仔細(xì)對(duì)齊分體和額外的過(guò)孔，在某些情況下，制造費(fèi)用會(huì)增加 10-20%。

4. 不完全隔離的風(fēng)險(xiǎn)

如果作不當(dāng)，分路可能無(wú)法完全隔離噪聲。例如，如果去耦電容器的放置距離元件不夠近（理想情況下在0.1英寸以內(nèi)），噪聲仍然可以通過(guò)寄生路徑在域之間耦合。這可能會(huì)抵消拆分的好處，甚至?xí)档托阅堋?/span>

隔離電源域的最佳實(shí)踐

如果您決定拆分電源平面，遵循最佳實(shí)踐可確保您最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，同時(shí)最大限度地減少缺點(diǎn)。以下是有效隔離電源域的可行技巧：

1. 根據(jù)電路布局規(guī)劃拆分

將分流與電路的自然邊界對(duì)齊。對(duì)于混合信號(hào) PCB，將數(shù)字元件放置在分體的一側(cè)，將模擬元件放置在另一側(cè)。這最大限度地減少了信號(hào)穿過(guò)分路并中斷返回路徑的機(jī)會(huì)。

2. 使用過(guò)濾組件

要進(jìn)一步隔離域，請(qǐng)?jiān)诜至哑矫娴倪吔缣幪砑予F氧體磁珠或電感器。這些組件充當(dāng)高頻濾波器，阻擋噪聲，同時(shí)允許直流電源通過(guò)。在 100 MHz 時(shí)阻抗為 600 歐姆的典型鐵氧體磁珠可以顯著降低噪聲耦合。

3. 保持連續(xù)的接地層

雖然通常需要拆分電源層，但請(qǐng)避免拆分接地層。連續(xù)接地層為所有信號(hào)提供穩(wěn)定的返回路徑，降低 EMI 和信號(hào)完整性問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。如果不可避免地出現(xiàn)分裂地面，請(qǐng)確保通過(guò)仔細(xì)規(guī)劃和模擬來(lái)完成。

4. 戰(zhàn)略性地放置去耦電容器

去耦電容器對(duì)于分體式設(shè)計(jì)中的噪聲抑制至關(guān)重要。將它們放置在盡可能靠近 IC 的電源引腳的位置，最好在 0.05 到 0.1 英寸以內(nèi)。使用電容值（例如 0.1 μF 和 1 μF）的組合來(lái)處理一系列頻率。

5. 模擬和測(cè)試您的設(shè)計(jì)

在最終確定 PCB 之前，請(qǐng)使用仿真工具分析拆分對(duì)信號(hào)完整性和噪聲的影響。工具可以預(yù)測(cè)阻抗不匹配或 EMI 問(wèn)題，幫助您調(diào)整拆分或元件放置。使用示波器進(jìn)行制造后測(cè)試還可以揭示噪聲水平，確保噪聲水平保持在可接受的閾值以下，例如 50 mV 峰峰值。

拆分電源平面的替代方案

拆分并不總是最好的解決方案。根據(jù)您的設(shè)計(jì)，其他技術(shù)可能會(huì)以較低的復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果?？紤]以下替代方案：

• 獨(dú)立電源：為不同的域使用專用的穩(wěn)壓器，而不是拆分單個(gè)平面。這提供了完全隔離，而無(wú)需改變 PCB 布局。

• 正確的組件放置：將相似的組件組合在一起（例如，將所有數(shù)字 IC 集中在一個(gè)區(qū)域中），以最大限度地減少噪聲耦合，從而減少拆分的需要。

• 增強(qiáng)解耦：使用強(qiáng)大的去耦電容器網(wǎng)絡(luò)來(lái)抑制統(tǒng)一電源平面上的噪聲，從而避免分段。

拆分電源平面適合您的設(shè)計(jì)嗎？

在復(fù)雜的 PCB 設(shè)計(jì)中，尤其是在混合信號(hào) PCB 中，拆分電源層是一種強(qiáng)大的技術(shù)，用于管理噪聲和隔離電源域。如果作正確，分體式電源平面的優(yōu)點(diǎn)，例如改進(jìn)的噪聲隔離和更好的信號(hào)完整性，通常會(huì)大于缺點(diǎn)。然而，設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加和潛在的返回路徑問(wèn)題等挑戰(zhàn)意味著它不是一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的解決方案。

通過(guò)仔細(xì)規(guī)劃拆分、使用過(guò)濾組件并遵循隔離電源域的最佳實(shí)踐，您可以確保您的設(shè)計(jì)可靠地執(zhí)行。無(wú)論您是在高速系統(tǒng)還是噪聲敏感應(yīng)用中工作，了解何時(shí)以及為何分配 PCB 功率是成功的關(guān)鍵。評(píng)估您的項(xiàng)目需求，模擬潛在問(wèn)題，并選擇平衡性能與實(shí)用性的方法。