Ejemplos de dos stackups de PCB de 4 capas con impedancia de 50 ohmios

Los diseñadores noveles que evolucionan de una placa de PCB de dos capas a una de cuatro probablemente estén preparados para empezar a trabajar con planos de potencia y de tierra, y hay un stackup estándar que la mayoría de los fabricantes te ofrecerán para ayudarte a desarrollar tu diseño. El stackup o apilado de capas básico que verás recomendado a menudo es un stackup de tipo SIG / GND / PWR / SIG, en el que las capas internas son planos o polígonos grandes. Este sirve para muchos tipos de diseños de PCB, siempre y cuando no cometas errores de diseño y enrutamiento simples.

Si necesitas hacer algo más avanzado, como la colocación y el enrutamiento de componentes de alta velocidad a ambos lados de la placa, tendrás que usar otro stackup. El error típico de enrutamiento que se produce en el stackup básico de PCB 4 capas consiste en enrutar señales de alta velocidad entre las capas superficiales sin proporcionar una ruta de retorno clara, lo que provoca mucha EMI irradiada desde la placa de circuito impreso. En cambio, debes utilizar uno de estos otros stackups de cuatro capas para crear el apilamiento y el diseño de tu PCB.

Stackup 1: GND / SIG+PWR / SIG+PWR / GND

Este stackup de PCB de 4 capas (también llamado apilado de 4 capas) utiliza una tierra en las capas exteriores para proporcionar una alta protección contra la EMI externa. También puede proporcionar una ruta fácil y cómoda para la ESD de vuelta a GND y, finalmente, al chasis del dispositivo o a tierra sin la necesidad de seguir ningún camino a través de ninguna ruta a una capa interna. Este tipo de diseño, con conexión a tierra en las capas externas y conexiones de baja impedancia a GND directamente con pistas, es sin duda el diseño más seguro desde el punto de vista de la EMI y ESD. También se puede ampliar bien a números de capas más altos si es necesario.

El posible problema de este stackup de PCB de 4 capas es la diafonía entre señales de distintas capas. Normalmente, el núcleo grueso de la placa será de unos 40 mils aproximadamente, pero no es necesariamente una distancia suficiente para garantizar que las pistas no reciban diafonía, en especial a altas velocidades. La mejor manera de prevenir la diafonía inductiva en un apilado de PCB de 4 capas es usando el enrutamiento ortogonal en diferentes capas. Además, no debe utilizarse con señales de velocidad excesivamente alta o frecuencias altas; de lo contrario, es posible que veas una diafonía capacitiva entre las capas de señal (que es sobre todo un problema con frecuencias de GHz de alta potencia).

Para eliminar el problema de la diafonía, plantéate invertir este stackup de 4 capas como se muestra a continuación.

Stackup 2: SIG + PWR / GND / GND / SIG + PWR

Para mí, este stackup de PCB de 4 capas es preferible, sobre todo para cualquier placa en la que las señales de alta velocidad tengan que pasar entre las dos capas superficiales de la placa. Este stackup o apilado de 4 capas consiste simplemente en invertir el anterior. Sin embargo, su función es diferente y no está necesariamente destinado a proporcionar un alto aislamiento de las fuentes de ruido externas. En cambio, resulta una mejor opción para los sistemas que requieren componentes de alta velocidad y enrutamiento a ambos lados de la placa. También resulta fácil diseñar este stackup de 4 capas para impedancia controlada de 50 ohmios (en inglés). Finalmente, asegúrate de conectar los planos GND con una vía cercana donde se realice una transición de señal.

La compensación de este stackup es un menor apantallamiento de las señales en la capa exterior. Las señales de cada lado de la placa se protegen entre sí, pero no de fuentes de radiación externas. Este stackup de 4 campas tiene otra ventaja, que es que puedes enrutar directamente a los componentes sin necesidad de cortar el plano de tierra. En general, las ventajas de este apilado de PCB de 4 capas y del anterior son perfectas para diseños de alta velocidad con enrutamiento en ambas superficies, en comparación con el stackup estándar SIG/PWR/GND/SIG.

Por qué estos stackups de PCB de 4 capas son mejores para las señales de alta velocidad de salida simple

El stackup estándar SIG / PWR / GND / SIG para una placa de cuatro capas sigue sirviendo para alta velocidad, pero solo puedes admitir de forma fiable la señal digital de velocidad moderada o alta en un lado de la placa. Esto se debe a que el par de capas SIG / GND es ideal para las señales digitales y la capa de señales adyacente a la capa GND es la que debe utilizarse para las digitales por los siguientes motivos:

• Impedancia controlada: El espacio cercano entre la capa GND y la capa SIG te permite definir rastros de impedancia controlada de un solo extremo a 50 ohmios (u otra impedancia) sin hacer que las pistas sean excesivamente anchas.
• Apantallamiento: El stackup SIG+PWR / GND / GND / SIG+PWR tendrá el mayor apantallamiento contra el ruido interno y la interferencia entre capas, mientras que el stackup inverso tendrá el mayor nivel de protección contra el ruido externo, pero tendrá una diafonía interna si no se enruta correctamente.
• Ruta de retorno clara: La ruta de retorno acoplada capacitivamente tiene baja impedancia porque se acciona directamente en el plano de tierra. Esto está en contraste con el par de capas SIG/PWR, que presenta una ruta de retorno de alta impedancia o un bucle de corriente de retorno muy grande que genera EMI.

La principal razón que leerás para utilizar uno de estos apilados alternativos es el último punto de esta lista, por el que hay la necesidad de proporcionar una ruta de retorno. La ruta de retorno inducida en el plano de potencia es impredecible, por lo que podría ser muy grande.

Para tratar de reducir el área del bucle y la impedancia de la ruta de retorno de las señales digitales, una solución provisional podría ser colocar un poco de cobre en la capa superficial alrededor de las pistas por encima del plano de potencia. Sin embargo, el acoplamiento capacitivo entre la pista y la señal podría ser débil y no hay garantía de que haya una gran reducción de la EMI.

Pero, aunque solo tienes una capa ideal para las señales digitales en lugar de dos capas, el stackup estándar SIG / PWR / GND / SIG cuenta con otras virtudes. Con un plano de potencia dedicado, aún puedes enrutar una corriente más alta de la que podrías utilizar para la potencia de enrutamiento; esto sería útil en un sistema de alimentación que requiere algunos circuitos de control digital. La capa posterior puede utilizarse para contener otros distintos componentes, como conectores o pasivos.

Lo más importante que debemos recordar acerca del diseño estándar de apilado de PCB de cuatro capas, sobre todo en lo que respecta a la colocación de la alimentación en una placa de PCB de cuatro capas, es que la inclusión de una capa dedicada a la alimentación no hará que tu diseño no supere las pruebas de compatibilidad electromagnética de manera automática. Sin embargo, no des por hecho que puedes enrutar las señales digitales como quieras solo porque estás enrutando sobre un plano de potencia uniforme. Es más importante entender cómo se propaga una ruta de retorno en un plano de potencia y cómo acaba acoplándose a tierra a través de una ruta de retorno de alta impedancia.

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