Folgen Sie Ihrem mehrschichtigen Masse-Rückführungspfad, um EMI zu verhindern

Der Weg zurück zum Massepunkt kann in einer komplizierten Mehrlagen-PCB schnell komplex werden. Wenn Ihre PCB eine geringe Lagenanzahl hat (z.B. eine 4-Lagen-Platine mit zwei Ebenen), wird es ziemlich einfach, den Rückweg zu bestimmen und ihn gezielt zu gestalten, um EMI zu verhindern. Die Situation wird komplizierter, wenn Sie mit einer höheren Anzahl von Lagen arbeiten. Mehrere Ebenen und Leiter können den Masse-Rückweg bilden, auch wenn der Leiter nicht geerdet ist. Hier ist es hilfreich, zwischen Masseebenen und Referenzebenen zu unterscheiden, da beide Teil des Rückwegs in Ihrer PCB sein können.

Masse-Rückweg vs. Referenzebenen

Referenzebenen sind ein inhärenter Teil des Signalübertragungswegs. Ob sie absichtlich in Ihrer Platine platziert sind, wie eine Masseebene für Signalleitungen, oder eine unbeabsichtigte Referenzebene, die nahe an den Signalleitungen liegt, kann schwierig zu bestimmen sein, wenn Sie nicht sorgfältig die Lage der Signalleitungen auf Ihrer Platine verfolgen. Der Masse-Rückweg für ein Signal muss nicht tatsächlich durch die Masse fließen; er könnte durch das Gehäuse, eine Stromebene oder einen anderen geerdeten Leiter verlaufen.

Unabhängig davon, wo der Rückweg auf Ihrer Platine verläuft, wird er immer versuchen, zum Punkt des niedrigen Potentials auf der Platine zurückzukehren, d.h. zum Erdungsrückkehrpunkt zurück zum Netzteil. Ob das Rücksignal in Ihrem Gehäuse, der Stromebene oder einem anderen Leiter induziert wird, es wird aufgrund des Potenzialunterschieds zwischen Ihrem Erdleiter und einem Leiter, der auf höherem Potenzial gehalten wird, zurück zur Erde gezogen.

Abgesehen davon, dass es ein Merkmal des Klingelns ist, während sich ein Signal ausbreitet, bestimmt der Rückweg eines Signals das folgende Verhalten:

• EMI-Anfälligkeit. Die durch einen Rückweg erzeugte Schleifeninduktivität bestimmt die Anfälligkeit eines Schaltkreises für EMI. Ein Schaltkreis mit einer großen Stromschleife wird eine größere parasitäre Induktivität haben, was ihn anfälliger für abgestrahlte EMI macht. Die Schleifeninduktivität ist niedriger, wenn die Schleife enger ist. Dies ist einer der Gründe, warum Hochgeschwindigkeitssignalleitungen nahe an einer Referenzebene auf einer angrenzenden Schicht geführt werden sollten.

• Störungen bei Mixed-Signal-Platinen. Die parasitäre Kapazität zwischen einem signaltragenden Leiter und seinem nächsten Referenzleiter sowie die durch die Schaltung erzeugte Schleife bestimmen die Reaktanz, die ein Schaltsignal sieht. Da die Reaktanz eine Funktion des Frequenzinhalts Ihres Signals ist, wird der Signalrückweg bei mittleren Frequenzen schwerer vorhersehbar. Lesen Sie diesen Leitfaden, um mehr über das Design eines gemischten Signalrückwegs für eine einzelne Plattenebene zu erfahren.

• Gemeinsamer Modus-Störpfad. Einmal in einer gegebenen Spur induziertes Gleichtaktstörgeräusch wird versuchen, denselben Weg wie Ihr Signal zurück zur Erde zu folgen. Der genaue Erdungsrückweg, dem das Gleichtaktstörgeräusch folgt, hängt von seinem Frequenzinhalt ab, da dies die Reaktanz bestimmt, die das Signal sieht.

Die Situation wird komplizierter, wenn wir in einem Mehrschichtenaufbau mit mehreren Plattenebenen routen, da sich der Referenzleiter entlang des Signalwegs ändern kann. Die primären Größen, die die anfängliche Referenzebene bestimmen, sind die parasitäre Kapazität zwischen der Signalleitung und dem benachbarten Leiter sowie die Induktivität der Schaltung. Beachten Sie, dass die parasitäre Impedanz nicht auf benachbarte Leiter beschränkt ist, dank der Induktivität, die einen komplizierten Erdungsrückweg auf einer Mehrlagenplatine erzeugen kann.

Können Sie den Masse-Rückflusspfad für diese Leiterbahnen nachverfolgen?

Zurück zu einem soliden Masse-Rückflusspfad

Wenn Sie gelesen haben, was ich oben geschrieben habe, und Sie sich immer noch fragen, was mit dem Rückstrom in einer komplexen Leiterplatte passiert, fragen Sie sich wahrscheinlich: Was passiert, wenn der Strom an eine Masseebene oder einen anderen geerdeten Leiter gekoppelt wird? Warum sollte das überhaupt passieren? Beides sind berechtigte Fragen.

Parasitäre Effekte zwischen benachbarten Leitern

Lassen Sie uns zuerst die zweite Frage beantworten, da sie hilft, die Antwort auf die erste Frage zu erklären. Der Ort, an dem der Rückflusspfad eingeführt wird, hängt von der Kapazität zwischen der Signalleitung und benachbarten Leitern sowie der Selbstinduktivität des durch die Signalleitung und den betreffenden Leiter gebildeten Stromkreises ab. Zusammen bestimmen diese Größen die Impedanz, die das Signal sieht.

Der Pfad mit der niedrigsten Impedanz (beachten Sie, dass dieser Pfad durch das Substrat oder durch die Luft führen kann!) ist die Richtung, der der Rückstrom folgt. Es stellt sich heraus, dass der Pfad, der die niedrigste Impedanz (d. h. stärkste Kopplung) zwischen der Signalleitung und dem potenziellen Leiter aufweist, der nächstgelegene Leiter ist, da dieser Pfad in der Regel die größte Kapazität und die kleinste Induktivität bietet.

Stromebenen als Rückführungspfad

Dies erklärt, warum eine Stromebene als Referenzleiter fungieren kann, wenn sie einem bestimmten Signalleiter näher ist als die nächstgelegene Masseebene. Die kapazitive/induktive Impedanz zwischen der Stromebene und dem Signalleiter kann viel größer sein als jene Werte zwischen dem Leiter und seiner nächstgelegenen Masseebene. Die Geschichte, die wir hier erzählt haben, beschreibt effektiv, wie ein Signal Referenzebenen wechseln kann, während es mehr als eine Schicht in einer mehrlagigen PCB durchquert.

Beispiel für einen Rückführungspfad für ein Signal, das eine Stromebene in einer mehrlagigen PCB durchquert.

Und nun zur dritten Frage: Wie gelangt ein an eine Stromebene gekoppeltes Rücksignal zurück zu einem geerdeten Rückführungspfad? Die Strom- und Masseebene wird eine gewisse Zwischenebenenkapazität aufweisen, die es dem Rückstrom ermöglicht, wieder in die Masseebene zu koppeln. Im Fall, dass Bypass-Kondensatoren zwischen einem Stromanschluss und der Masseebene geschaltet sind, tragen diese ebenfalls einige kapazitive und induktive Impedanzen bei, für ein im Stromkreis induziertes Rücksignal.

Der kluge Entwerfer sollte erkennen, dass man im Allgemeinen nicht über eine Stromversorgungsebene routen sollte, es sei denn, man kann eine niedrige Impedanzkopplung zurück zu GND für den Rückweg gewährleisten, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzplatinen. Sie sollten Ihre Platine immer mit dem Rückweg im Hinterkopf entwerfen, um EMI zu reduzieren. Typischerweise wird der Rückweg beim Routing über eine PWR-Ebene durch nahegelegene Entkopplungskondensatoren, beliebige Vias, die Erdungsregionen überbrücken, oder als kapazitiv gekoppelter Verschiebungsstrom von der PWR-Ebene zur GND-Ebene bereitgestellt. Die Gefahr hierbei ist, dass der Rückweg durch die Platine schwer oder unmöglich zu verfolgen ist, insbesondere bei 4-Lagen-Stackups, was eine starke Quelle von EMI aufgrund der Erzeugung einer großen Stromschleife und/oder eines Hochimpedanz-Rückwegs darstellt.

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