Strom- und Masseebenen: Sollten Sie Ihre PCB-Stromebene als Rückweg verwenden?

Stromversorgungsebenen (manchmal auch als Stromversorgungsschicht bezeichnet) und Masseebenen sind nicht nur für die Verteilung der Stromversorgung wichtig. Bei der Definition von Referenzebenen, sowohl bei der impedanzkontrollierten Verlegung als auch bei der Verwaltung von Rücklaufwegen, kann es sein, dass Ihre Stackup-Konfiguration Rückströme dazu zwingt, in eine PCB-Stromversorgungsebene zu fließen, bevor sie wieder an eine Masseebene gekoppelt werden. Auch wenn Sie eine GND-Referenzebene als Basis für Ihre impedanzkontrollierte Leiterbahnbreite definieren, müssen Sie dennoch einen klaren Rücklaufweg entlang der Länge der Stromversorgungsebene in Ihrem Design festlegen. Lassen Sie uns einige gute Praktiken betrachten, um Rücklaufwege in Ihrem PCB mit einer Stromversorgungsebene als Rücklaufweg zu steuern.

Signalverhalten mit einer PCB-Stromversorgungsebene als Rücklaufweg

Wenn wir von "Rücklaufweg" sprechen, beziehen wir uns auf den Weg, der von dem Rückstrom in einem Design natürlich gefolgt wird, wobei der Strom zurück zum Niedrigpotenzialterminal auf der Eingangsseite der PCB-Baugruppe fließen kann. Für ein Signal, das auf einer Übertragungsleitung reist, wird der Rücklaufweg durch die Kapazität zwischen der Leitung und ihrer Referenzebene bestimmt. Eine höhere Kapazität, höhere Frequenz oder beides bedeutet, dass der Rückstrom leicht als Verschiebungsstrom in die Masseebene fließen kann.

Dies bedeutet wiederum, dass der Abstand zwischen einer Übertragungsleitung und ihrer Referenzebene, welcher Art diese Referenzebene auch sein mag, einige wichtige elektrische Verhaltensweisen in realen Designs bestimmt. Zu diesem Verhalten gehören:

• EMI-Empfindlichkeit gegenüber externen Quellen, die induktiv durch eine große Stromschleife oder kapazitiv über das elektrische Feld aufgenommen werden kann
• Inkonsistente Impedanz, die entsteht, wenn zwischen Ebenenbereichen geroutet wird, über Lücken hinweg oder mit variierenden Leiterbahnbreiten entlang eines Zwischenverbinders
• Nebensprechen von anderen Leiterbahnen, das sich leichter induktiv in eine Opferleitung einkoppeln kann, wenn das Design eine 
• Verluste während der Ausbreitung, die aufgrund der Feldlinienkonzentration zwischen der Übertragungsleitung und der nahegelegenen Referenzebene oder anderen Leitern auftritt

Wenn Sie zwischen der Verwendung einer Stromversorgungsebene oder einer Masseebene als angrenzende Schicht wählen können, die einen Rückweg oder Signalbezug bietet, sollten Sie immer die PCB-Masseebene wählen. Dafür gibt es zwei Gründe, die ich unten näher erläutern werde.

Kapazitive Kopplung

Bevor wir diskutieren, wie eine Stromebene tatsächlich als eine Art Rückleiter funktioniert (oder nicht), müssen wir die Frage stellen: Wie würde der Strom von einer Übertragungsleitung überhaupt in die Stromebene der Leiterplatte gelangen. Die Antwort lautet: kapazitive Kopplung! Denken Sie daran, wie oben erwähnt wurde, dass der Rückleiter zwischen einer Übertragungsleitung und einem nahegelegenen Leiter induziert wird. Bei einer nahen Plattenebene geschieht dies immer dann, wenn sich das elektrische Potenzial zwischen der Leitung und der Ebene ändert. Daher haben wir immer dann einen Verschiebungsstrom in der Plattenebene, wenn eine Leiterbahn neben einer Ebene verlegt wird und ein digitales Signal entlang dieser Bahn läuft.

Wenn die nahe Ebene eine Masseebene mit demselben Potenzial wie unser Niedrigpotenzialpunkt am Stromanschluss wäre, dann wäre alles in Ordnung. Das Problem dabei ist, wenn der Strom dann von einer Stromebene in die nahe Masseebene übergehen muss, muss der Strom durch eine weitere dielektrische Schicht überbrücken, um eine PCB-Masseebene zu erreichen.

Je nachdem, wie der Stackup gestaltet ist und in welchem Bereich der Platine das Signal induziert wird, könnte die Kapazität zwischen den beiden Schichten einen sehr hochohmigen Pfad zwischen der Stromversorgungsebene und der Masseebene bilden. Je nach Stackup, wie der unten gezeigte einfache 4-Lagen-Stackup, könnte die Ebenenkapazität zwischen der Stromversorgungsschicht und der PCB-Masseebene sehr klein sein (in der Größenordnung von Femtofarad pro Quadratmillimeter), was einen extrem hochohmigen Rückkehrpfad schafft, außer für extrem schnelle digitale Signale oder sehr hochfrequente RF-Signale. Die einzige andere Option auf dieser Reise zwischen der Stromversorgungsebene und der Masseebene ist durch den nächstgelegenen Entkopplungskondensator, wie unten gezeigt. In beiden Fällen könnten Sie irgendwo auf der Platine ein EMI-Problem haben.

Für typischerweise langsamere Single-Ended-Signale (wie anstiegszeitbegrenzte I2C- oder SPI-Signale) könnte das von dieser Kopplung zu GND erzeugte EMI nicht das größte Problem sein. Dies tritt überhaupt nicht bei reinen DC- oder niedrigfrequenten analogen Geräten auf. Allerdings können bei den heutigen Standard-CMOS-Komponenten sogar Single-Ended-Busse in gängigen digitalen Komponenten dieses Problem haben. Also, was ist die Lösung?

Die Antwort findet sich im Neudesign des PCB-Stackups. Der einfachste Weg nach vorne ist, Schichten hinzuzufügen, die die Erdungsrückführung bereitstellen. Generell sind keine weiteren Designänderungen notwendig, solange alle GND-Ebenen mit entsprechend platzierten Stitching-Vias verbunden sind. Etwas, das aus Designperspektive zeitaufwendiger ist, wie im oben genannten 4-Lagen-Stackup, ist es, PWR und Signal auf derselben Schicht zu platzieren und dann PWR auf derselben Schicht als Pour hinzuzufügen.

4-Lagen-Beispiel

Im Beispiel des 4-Lagen-Boards oben wird der Stackup am besten genutzt, wenn die Busse und Leitungen, die kontinuierliche Bitströme liefern müssen, direkt über GND auf der obersten Schicht platziert werden. Andere Signale, wie Steuersignale, die mit RC oder Serienabschluss verlangsamt werden können, können auf der Rückseite platziert werden, ebenso wie andere unterstützende Komponenten. Wenn Sie jedoch ein 4-Lagen-PCB mit digitalen Bussen auf beiden Oberflächenschichten benötigen, dann ist die beste Praxis, einen alternativen Stackup zu verwenden.

Der unten dargestellte Stackup ist wohl die beste Alternative, um Störgeräusche zu unterdrücken und überall klare Rückwege zu bieten. Dies ist der SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR-Stackup, bei dem Signale und Strom auf den oberen Schichten geführt werden. Dies bietet eine sehr starke Entkopplung für Stromschienen, da sie (oder sollten) nahe an der GND-Ebene auf der angrenzenden Schicht platziert werden.

• Erfahren Sie mehr über diesen alternativen 4-Lagen-Stackup

Es gibt eine Schwierigkeit bei diesem Board, die auftreten kann, wenn es mehrere Stromschienen gibt. In dem Fall, dass Ihr 4-Lagen-Board hohe Geschwindigkeitssignale auf beiden Schichten benötigt, sowie mehrere Stromschienen und starke Stromintegrität, wird der Standard-SIG/GND/PWR/SIG-Stackup nicht funktionieren. Hier ist das Hinzufügen von zwei Schichten und der Aufbau eines 6-Lagen-Stackups die beste Option.

6-Lagen-Beispiel

Wie bei den meisten Routing- und Layoutproblemen, die dann EMI-Probleme verursachen, liegt die Quelle des Problems in der Regel in der Definition von Masse oder in der falschen Schichtanordnung im PCB-Stackup. Obwohl Sie die Stromversorgungsebene als Impedanzreferenz und Rückweg für Signale nutzen können, müssen Sie eine nahegelegene PCB-Masseebene platzieren, um eine Kopplung zwischen den Schichten in der unten gezeigten Art von Schichtstapel zu verhindern.

Ein Stackup, der manchmal in dichteren Designs verwendet wird, ist der unten gezeigte 6-Lagen-Stackup. Die oberen und unteren Signallagen sind direkt mit der Masse gekoppelt, dennoch haben wir eine Stromversorgungsebene (in Blau auf L3), die eine hohe Ebenenkapazität zur Masse auf L2 haben könnte, abhängig von den Schichtdicken.

• Erfahren Sie mehr über Richtlinien für 6-Lagen-Stackups

Eine alternative Schichtanordnung , die bei Hochgeschwindigkeitsrouting auf einer internen Schicht nicht ideal ist, besteht darin, zwei benachbarte Signallagen und Strom auf L2 zu haben. Dies könnte internes Übersprechen ermöglichen und Probleme beim Zurückführen des Rückstroms zur Masse verursachen, wenn die Signale nicht in verschiedene Bereiche auf der PCB segmentiert sind. Eine bessere Anordnung wäre die Verwendung des oben gezeigten 6-Lagen-Boards.

Was ist mit der direkten Kopplung in Leiterbahnen? Normalerweise kann die parasitäre Kapazität zwischen den benachbarten Schichten aufgrund der kleinen Abmessungen der Signalleitungen recht klein sein, was einen eher hohen Impedanz-Rückweg zwischen einem Rückstrom in der Stromebene auf L3 und der Masseebene auf L5 schafft. Der übliche Weg, um einen niederimpedanten Rückweg zwischen einem Rückstrom in der Stromschicht und der Masseebene bereitzustellen, besteht darin, einen Entkopplungs-/Bypass-Kondensator zwischen den Strom-/Masseebenen zu platzieren. Im obigen Beispiel ist der bevorzugte niederimpedante Pfad für einen induzierten Rückstrom in der Stromebene direkt in die Masse auf L2, nicht auf L5.

Die Quintessenz: Entwerfen Sie Ihren Rückweg

Ob Sie Signale zulassen, die sich zurück zur Stromversorgungsebene koppeln, gefolgt von einer kapazitiven Kopplung in die nächstgelegene PCB-Masseebene, oder direkt zurück zur Masseebene, Sie müssen Ihren Rückweg sorgfältig planen, um eine unerwünschte Kopplung zwischen jeglichen Rücksignalen zu verhindern. Der wichtige Punkt hier ist, dass jeder Schaltkreis auf Ihrer Platine komplett ist, wenn er sich zurück zur PCB-Masseebene verbindet, unabhängig davon, ob diese Kopplung direkt, durch Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren oder dank Interplane-Kapazität erfolgt. Deshalb sagen wir bei modernen PCBs immer, dass man neben einer Masseebene verlegen soll: dies ermöglicht es, den Rückweg direkt zur Masseebene zu senden, ohne Bypass-Kondensatoren, Stitching-Vias mit Kupferfüllung oder andere Maßnahmen zu verwenden, die die durch einen schlechten Stackup verursachten Probleme nicht lösen.

Während Sie technisch gesehen eine Stromebene sowohl als Abschirmungsschicht als auch als PCB-Referenzebene nutzen können (vorausgesetzt, die Potenzialdifferenz zwischen der Signalleitung und der Stromebene ist nicht 0 V), wird es generell schwierig, den Rückweg zu kontrollieren. Dies gilt insbesondere für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzplatinen. In fortgeschritteneren Designs, die mit niedrigen Signalebenen arbeiten, könnten Sie Differenzpaare verwenden, in diesem Fall wird der Rückweg durch differentielles Treiben bereitgestellt, d.h., er fließt parallel zur HIGH-Signalleitung. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Sie den Rückweg auf Ihrer Platine verfolgen können, werfen Sie einen Blick auf diesen Artikel von Francesco Poderico.

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