参考平面中的slot和split

参考平面中的slot和split

参考平面中的分割有两种，一种英文称为slot, 一种英文称为split，两者有相同之处，也有不同之处。

相同之处是，两者都会造成EMI和信号完整性问题；

不同之处是，slot是部分分割，而split是完全分割，如下图所示。

设计人员在设计混合模拟/数字板时，为了减少数字区域对模拟区域的串扰，会对其参考平面进行分割。

在EMC文献中，通常建议以分割地平面的方法，来减少模拟电路和数字电路之间的串扰。

但是，在下图中，对地的进行分割，反而起到了相反的效果。因为在这个slot上面，有多个数字信号走线，来自驱动器的数字回流无法立即从走线下方流回，而只能绕着slot流动。有一小部分回流，会以位移电流的形式通过间隙电容。

所以，回流相对于信号走线形成一个大环路，这大大增加了电流环路电感，从而引起辐射发射和串扰，而这些问题，却是设计人员最初想避免的问题。

情形1：电源层分割，接地层连续

在设计高速硬件电路时，比如FPGA电路等，通常会有多个电源域，分布在同一电源层中。如下左图所示。

更具体的，如下右图所示。PCB的叠层为四层板，L1和L2是信号平面，L2是电源平面，L3是地平面。

其中地平面DGND是连续的，但电源平面是分割的。

理想情况下，是希望所有的走线都能布在L4层，因为与该层相邻的是完整的地平面。

但是，总有一些走线，必须在L1层，而L1层下方是分割的电源平面。

这时的回流路径是什么样的呢?

这时，就需要依靠板子上的去耦电容，来为回流提供绕行路径。如下左图所示。

回流通过最近的去耦电容C2流到连续的DGND平面，然后该回流又通过另一个去耦电容C1返回到电源层。所以，这个时候，电容器的阻抗也对回流环路的总阻抗起着重要影响。

所以，当(DGND)接地平面连续时，它仍可提供畅通无阻的信号电流返回路径，虽然这个回流路径稍稍大了点。

情形2：电源层和接地层都分割，而且分割线在垂直方向上重合

假设走线在数字设备 IC1 和 IC2 之间布线，跨越相邻电源平面中的一个slot, 如下图所示，电源平面和地平面都被分割，而且分割线在垂直方向上重合。

下图中，看上去回流可以在从数字区域流过，如蓝色线所示，虽然这样也会增大回路，导致EMI性能变差，但是好歹不算太离谱。

但是如果IC1移到模拟区域，如红色线所示。这个时候，平面上的回流彻底被切断了，如下右图所示，那该怎么办呢？

回流一定会需要一条替代路径，绕过slot，回到源端。如果不采取措施的话，回流路径就乱七八糟了。

所以，如果两个参考平面以相同的方式分开 ，即使有去耦电容器，也无济于事，因为当回流经过相应的参考平面时，没法经过gap，因为电源平面和地平面都被分割了。

这时，一种解决方案，就是使用拼接电容器C1，放置在参考平面的间隙上，如下图所示。这时，即使电源平面和地平面都被分割，该方案也能有效工作。电容器应在相应信号频率下表现出低阻抗，以提供可接受的回流路径。

那这些拼接电容器，该怎么放置呢?

电容器的放置和安装对其整体性能起着重要作用。应使用拼接电容器并将其安装在间隙上，最好在信号走线的任一侧各安装一个。电容器应放置在靠近穿过间隙的走线处（最好在 0.1 英寸或 2.5 毫米以内），如下上图所示。

为了获得最佳性能，电容器还应沿所有平面slot的周边以规则的间隔放置，以便它们可用于互连间隙任一侧的小平面。在所关注的最高频率处，沿间隙的电容器之间的间距不应超过 lamd/10，其中lamd表示 PCB上通过的最高信号的波长。

这个时候，可能就会看到在PCB的空白处，有孤零零的几个电容在那。所以，如果你在别人的设计中，出现这些孤零零的电容时，可以看看，他们下面的参考平面上，是不是有slot或者split。

拼接电容器方案的有效性

尽管拼接电容器确实为返回电流提供了最佳路径，但它们的性能明显受到其高频阻抗的限制。

下图描绘了带有微带线的简单 PCB 的最大电场辐射发射示例图。发现，连续金属平面的发射幅度要比分割平面的发射幅度高20dB左右。

添加一个拼接电容器后，可以看到，在低于 100 MHz 的频率下观察到明显改善，但随着频率的进一步增加，辐射水平上升。当使用两个电容器时，辐射水平下降到和连续参考平面的辐射水平相当。

审核编辑 ：李倩