Diseño de un Apilado de PCB de 6 Capas para Mejorar la EMC

Las PCBs de 6 capas son una opción económica y popular para una variedad de aplicaciones con un alto número de conexiones y tamaño pequeño. Las placas más grandes podrían funcionar bien con un apilado de 4 capas, donde se pueden sacrificar capas de señal para asegurar el aislamiento entre cada lado de la placa. Con el apilado de 6 capas adecuado, puedes suprimir la EMI entre las diferentes capas y acomodar componentes de paso fino con un alto número de conexiones. Sin embargo, hay casos en los que tiene más sentido usar un apilado de 4 o 8 capas, y ayuda entender la función de las capas de plano en la placa para hacer este juicio.

¿Cuántas capas de alimentación, tierra y señal necesito?

La respuesta a esta pregunta es extremadamente importante y realmente depende de la aplicación de tu placa. Si estás diseñando una placa densa con espacio limitado, pero todo es de baja velocidad o DC, a menudo puedes arreglártelas bien con dos capas de plano y cuatro capas de señal. Sin embargo, en ese caso, a menudo puedes reducir el número de capas a 4 con un diseño y enrutamiento creativos.

Si necesita reducir significativamente la susceptibilidad a la EMI, se utiliza una configuración de capas alternativa, y debería optar por más capas de alimentación/tierra y menos capas de señal. Si se trata de una placa digital o de señal mixta, la colocación de la señal con respecto a las capas de plano, y un par de planos de alimentación/tierra espaciados estrechamente, le darán la flexibilidad que necesita para enrutar en cualquier lugar de la placa sin crear un problema de EMI. La adición de más tierra alrededor de la placa también puede tener un efecto de blindaje significativo sin la necesidad de una solución poco elegante como latas de blindaje.

Si va a mezclar señales digitales y analógicas, mezclar señales de alta y baja frecuencia, o una combinación de todas estas, aún puede hacer un uso creativo de una configuración de 6 capas para PCB. En algún momento, podría necesitar optar por una placa más grande o más capas en su configuración (¡o ambas!). Hay muchas combinaciones de capas de señal/plano para configuraciones de PCB de 6 capas, pero a continuación se mostrarán algunas comunes.

Ejemplos de Configuración de PCB de 6 Capas

Con esto en mente, veamos algunos ejemplos de configuración de PCB de 6 capas:

Señal+PWR/GND/2 Capas de Señal/GND/Señal+PWR

Este ejemplo de apilado de PCB de 6 capas es una opción popular de nivel de entrada que proporciona blindaje para trazas de baja velocidad en la capa interior frente a trazas en las capas exteriores. También hay un acoplamiento estrecho a planos sólidos. Puedes enrutar señales con velocidades de conmutación más bajas o a través de una capa interior siempre y cuando sean ortogonales. Yo enrutaría señales digitales y/o analógicas de mayor velocidad en las capas exteriores para protegerlas entre sí y de las trazas de menor velocidad/frecuencia en las capas internas. A continuación, se muestra un ejemplo.

En este caso, no mezclaría analógico y digital en las capas internas a menos que puedas separarlos en diferentes regiones de la placa. Sin embargo, en ese tipo de situación donde necesitas separación entre las secciones digitales y analógicas, probablemente podrías arreglártelas con un apilado de 4 capas con planos internos y un diseño/enrutamiento creativo, o puedes usar la disposición preferida SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR en 4 capas (consulta aquí para obtener directrices).

En este tipo de apilamiento, no hagas de la capa 2 una capa de plano de alimentación, y no intentes hacer pares acoplados en paralelo en L3+L4. En su lugar, estarás enrutando PWR en una capa de señal. El principal problema con esto es la falta de capacitancia interplano entre las capas de plano de alimentación y tierra y el camino de retorno de alta inductancia desde L1 a L5. Debido a que estas capas de plano están separadas, se necesitarán más decoupling capacitors y vías de retorno a tierra para compensar los caminos de retorno impredecibles para las señales en L1. Por esta razón, estas placas probablemente solo deberían usarse con sistemas de alimentación o DC que no necesiten una predicción y seguimiento precisos del camino de retorno.

Señal/TIERRA/PWR/TIERRA/Señal/TIERRA

Este ejemplo de apilamiento de PCB de 6 capas es un buen apilamiento asimétrico para placas que necesitan proporcionar mucha desacoplación a señales de alta velocidad, pero donde la densidad no es tan alta que necesites 3 capas de señales. Un ejemplo es una mezcla de señales de alta velocidad (L1) y baja velocidad (l5) ya que estas estarán aisladas entre sí, y el par de planos PWR+GND espaciados de cerca proporcionará una alta desacoplación para soportar integridad de potencia de alta velocidad. La capa de señal interior estará protegida de la capa de señal superficial ya que está encerrada entre dos planos de tierra. También es útil para suprimir la EMI que interfiere con la capa de señal interior ya que los conductores sólidos proporcionan un blindaje efectivo. Los planos de potencia y tierra probablemente estarán espaciados de cerca para proporcionar una desacoplación efectiva para dispositivos digitales de alta velocidad.

El principal problema con este apilado es que solo permite la colocación fácil de componentes en la capa superior, a menos que comiences a cortar el suelo de la capa inferior para hacer espacio para los componentes, por lo que básicamente estás construyendo solo una placa de 1 lado. Esta es una propuesta costosa para la fabricación ya que requiere de mucho taladrado para colocar vías hacia la capa interna de señales. Esto resalta las ventajas de un apilado de PCB de 4 capas o de 8 capas. Con un apilado de 8 capas, puedes crear una disposición similar de potencia/tierra adyacentes en las capas internas mientras también acomodas el enrutamiento interno y componentes/enrutamiento en la capa inferior.

Señal/TIERRA/POT/Señal/TIERRA/Señal

Esta es una variación de la placa anterior que proporciona una capa de señal adicional. Este es un buen punto de partida si estás trabajando con un sistema digital de conteo moderado de E/S que requiere control de impedancia en las capas exteriores. Por ejemplo, utilizamos este apilado en conmutadores de red y placas de señal mixta que operan a tasas de datos de Gbps o superiores. La desventaja es la menor desacoplamiento entre PWR y GND en comparación con el apilado anterior. El bajo acoplamiento PWR/GND se compensa con bancos de decaps. L4 puede entonces utilizarse con señales de menor velocidad que se referencian a PWR, lo que entonces tendrá un acoplamiento directo de vuelta a GND en L2.

GND/Señal/PWR/GND/Señal/GND

Si su placa va a ser desplegada en un entorno eléctricamente ruidoso, o si se va a colocar cerca de una fuente de radiación fuerte, este apilado proporciona una excelente supresión de EMI. Con la adición de vías de cosido cuidadosamente espaciadas, puede proporcionar blindaje hasta cierta alta frecuencia (usualmente bien dentro del rango de GHz). La desventaja es que solo hay dos capas de señal, por lo que el espacio en la placa para el enrutamiento de señales será limitado. También estará cortando el plano PWR con vías al enrutarse entre las capas de señal, o hacia las capas superficiales. Dicho esto, colocar las capas de señal entre planos conductivos apilados es una buena elección desde un punto de vista EMC.

Este apilado de capas proporciona otro beneficio no tan obvio: mejor gestión térmica. Aunque estas placas no están destinadas para sistemas de potencia con altas corrientes, los conductores a cada lado de una capa de señal y en las capas internas pueden ayudar a transportar el calor hacia los bordes y superficies de la placa, donde luego puede ser disipado con refrigeración pasiva o activa. No tendrá el mismo nivel de disipación de calor que tendría con una placa de núcleo metálico o una cerámica, pero tiene las ventajas de múltiples planos para el blindaje para ayudar en la supresión de EMI.

Una Nota sobre el Enrutamiento Entre Múltiples Capas

A menudo hablamos de enrutar vías a través de múltiples capas, pero hacer esto puede crear una discontinuidad en el camino de retorno que aumenta el área de bucle para el circuito. En este caso, la capacitancia parásita entre capas tendrá que proporcionar alguna descarga que induce una corriente de retorno cerca de la vía de señal. Desafortunadamente, la capacitancia suele ser demasiado pequeña para proporcionar un camino de retorno de baja impedancia confiable. Por esta razón, el camino de retorno aparecerá en el capacitor de desacoplamiento más cercano, o en las vías que usas para conectar las regiones de tierra en múltiples capas, todos los cuales podrían estar lejos de la vía de señal. El resultado es un camino de retorno muy grande con una gran inductancia de bucle, y esto creará un nuevo problema de EMC que tienes que resolver.

Como resultado, hay dos opciones comunes que se citan como formas de eliminar la EMI de esta falta de un camino de retorno:

1. Coloque un capacitor de desacoplamiento en paralelo con el vía de señal para proporcionar el camino de retorno
2. Coloque un vía a tierra o un par de vías a tierra en paralelo con el vía de señal para proporcionar el camino de retorno

En mi opinión, la mejor opción es colocar uno o dos vías a tierra corriendo junto al vía de señal siempre y cuando los dos planos de referencia estén al mismo potencial. Esto proporciona un camino de retorno con baja inductancia y sin romper el acoplamiento a los planos de referencia. Esta necesidad de proporcionar un camino de retorno es una razón por la cual un diseñador podría simplemente llenar todo en el diseño con vías de conexión a tierra una vez que el diseño esté terminado.Si haces esto con vías de conexión, asegúrate de leer este artículo.

Para ver algunos otros casos de uso que involucran configuraciones de 6 capas para proporcionar supresión de EMI, específicamente en productos IoT, echa un vistazo a la reciente presentación de Ken Wyatt en AltiumLive 2022.

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