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，电路板制作的成本大幅度升高。前面说过，电路板的制作成本和叠层数成正比。为了兼顾节约成本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，这就是跨分割问题。这些也往往是电子工程师容易忽略的问题。跨分割问题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，跨分割问题产生了。

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）器件在管脚定义时如果分布得不合理，而管脚之间的距离很小，会在地层或者定义层造成了一个狭长的隔离带。如果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：整齐，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（图6-14），就会发现产生了电源、地层分割问题。

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，如果有走线穿过这个分割带时，跨分割问题也产生了。这类问题主要出现在电路中总线布线时容易出现，必须引起广大工程师的注意。

同样地，当通孔（包括焊盘和过孔）穿过地/电源平面时，如果通孔之间的距离靠得过近，上述问题也就同样出现了。这类问题主要出现在密集插装（压接）器件管脚定义不当时容易出现。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问题。

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）容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，使输出的波形容易振荡；
（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，还会因为上平面、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。从对比的结果很容易看到跨分割的影响。

在一块PCB板上布了两根走线，两者激励源相同，负载完全一样，均走在同一布线层，长度均为6000MIL，惟一不同的是，一个跨了平面分割，另外一个参考平面完整。通过开关切换，在保证外部条件完全相同的情况下，分别让其中的一个网络上电，在半波暗室测试结果如下：

从图4-16和图4-17可以清楚地看出：信号跨分割区会增加辐射8dB-10dB；具体增加的辐射强度取决于跨分割导致的回流路径回路面积的大小，也与周围的电磁干扰环境有关。如果一条时钟线在对外接口线缆附近跨分割布线，其导致的电磁干扰强度可能超过20dB。由此可见跨分割布线会造成很大的电磁干扰，不仅干扰自身，同时它的电磁辐射还会对周围其他的电路或系统造成干扰。因此，我们在布线的时候一定要注意，尽量避免跨分割走线。

三、PCB板避免跨分割的办法
跨分割走线给电路带来很大的危害，我们在实际电路的时候，应该尽量避免造成跨分割现象，主要注意以下几点：
（1）走线避免穿越分割带，走线的时候考虑地、电源的分割，让走线绕开电源的分割问题，
也可以增加电路的叠层数来避免跨分割问题。
（2）通常布线的时候，电源分割是在不信号线之后设计，做电源或地分割时，一定要注意在地、电源分割的时候，会对哪些信号造成影响，会造成哪些信号线的跨分割走线，哪些是我们可以避免的，注意适当地调整地、电源分割。
（3）过孔设计和散孔不应过于密集，造成地、电源平面的隔离带。
（4）插装器件或者接插件在定义时，要分布地合理，充分考虑对地、电源平面的影响，是否造成分割，导致EMI增强。

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