Plans d'alimentation et plans de masse : Devriez-vous utiliser votre plan d'alimentation PCB comme chemin de retour ?

Les plans d'alimentation (parfois appelés couche d'alimentation) et les plans de masse sont importants pour bien plus que la simple distribution de l'alimentation. Lors de la définition des plans de référence, tant pour le routage contrôlé par l'impédance que pour la gestion des chemins de retour, votre empilement peut obliger les courants de retour à passer dans un plan d'alimentation du PCB avant d'être couplés à nouveau à une couche de masse. Même si vous définissez une couche de référence GND comme base pour la largeur de votre piste contrôlée par l'impédance, vous devez toujours définir un chemin de retour clair le long de la couche d'alimentation dans votre conception. Examinons quelques bonnes pratiques pour contrôler les chemins de retour dans votre PCB avec une couche d'alimentation comme chemin de retour.

Comportement du signal avec un plan d'alimentation du PCB comme chemin de retour

Lorsque nous parlons de "chemin de retour", nous faisons référence au chemin naturellement suivi par le courant de retour dans une conception, où le courant peut revenir au terminal de bas potentiel du côté d'entrée de l'assemblage du PCB. Pour un signal se déplaçant sur une ligne de transmission, le chemin de retour est déterminé par la capacité entre la ligne et son plan de référence. Une capacité plus élevée, une fréquence plus élevée, ou les deux, signifient que le courant de retour peut facilement passer dans la couche de masse sous forme de courant de déplacement.

Cela signifie, à son tour, que la distance entre une ligne de transmission et son plan de référence, quel que soit le type de ce plan de référence, détermine certains comportements électriques importants dans les conceptions réelles. Ces comportements incluent :

• Susceptibilité aux EMI provenant de sources externes, qui peuvent être reçues par induction à travers une grande boucle de courant, ou par capacité via le champ électrique
• Impédance inconsistante, qui apparaîtra lors du routage entre les régions de plan, au-dessus des écarts, ou avec des largeurs de trace variables le long d'un interconnect
• Diaphonie provenant d'autres traces, qui peut se coupler plus facilement par induction dans une trace victime si la conception a un 
• Pertes lors de la propagation, qui se produisent en raison de la concentration des lignes de champ entre la ligne de transmission et le plan de référence proche ou d'autres conducteurs

Si vous pouvez choisir entre utiliser un plan d'alimentation ou un plan de masse comme couche adjacente qui fournit un chemin de retour ou une référence de signal, vous devriez toujours choisir le plan de masse du PCB. Il y a deux raisons à cela, que j'expliquerai plus en détail ci-dessous.

Couplage capacitif

Avant de discuter de la manière dont un plan d'alimentation fonctionne (ou non) réellement comme un quelconque chemin de retour, nous devons nous poser la question : comment le courant d'une ligne de transmission pourrait-il entrer dans le plan d'alimentation du PCB pour commencer. La réponse est : le couplage capacitif ! Souvenez-vous, comme mentionné ci-dessus, le chemin de retour est induit entre une ligne de transmission et tout conducteur proche. Pour une couche de plan proche, cela se produit chaque fois qu'il y a un changement de potentiel électrique entre la ligne et le plan. Par conséquent, chaque fois que nous avons une piste routée à côté d'un plan, et qu'un signal numérique se déplace le long de cette piste, nous avons maintenant un courant de déplacement induit dans la couche de plan.

Si le plan proche était un plan de masse au même potentiel que notre point de bas potentiel à l'entrée d'alimentation, alors tout irait bien. Le problème est que, lorsque le courant doit ensuite passer d'un plan d'alimentation à la couche de masse proche, le courant devra traverser une autre couche diélectrique pour atteindre un plan de masse PCB.

Selon la conception du stackup et la zone de la carte où le signal est induit, la capacité entre les deux couches pourrait former un chemin d'impédance très élevée entre le plan d'alimentation et le plan de masse. Selon le stackup, comme le stackup simple à 4 couches montré ci-dessous, la capacité du plan entre la couche d'alimentation et la couche de plan de masse du PCB pourrait être très petite (de l'ordre des femtofarads par mm carré), créant un chemin de retour d'impédance extrêmement élevé sauf pour les signaux numériques extrêmement rapides ou les signaux RF de très haute fréquence. La seule autre option dans ce parcours entre le plan d'alimentation et le plan de masse est à travers le condensateur de découplage le plus proche, comme montré ci-dessous. Dans les deux cas, vous pourriez avoir un problème d'EMI quelque part dans la carte.

Pour les signaux à terminaison unique généralement à basse vitesse (tels que les signaux I2C ou SPI limités par le temps de montée), l'EMI généré par ce couplage à GND pourrait ne pas être le plus gros problème. Cela ne se produit pas du tout avec des dispositifs purement DC ou analogiques basse fréquence. Cependant, avec les composants CMOS standard d'aujourd'hui, même les bus à terminaison unique dans les composants numériques communs peuvent avoir ce problème. Alors, quelle est la solution ?

La réponse se trouve dans la redéfinition du stackup du PCB. La voie la plus simple est d'ajouter des couches qui fournissent le retour à la masse. Généralement, aucun autre changement de conception n'est nécessaire tant que tous les plans de masse sont reliés ensemble avec des vias de liaison espacés de manière appropriée. Une chose qui prend plus de temps d'un point de vue conception, comme dans le stackup à 4 couches ci-dessus, est de placer PWR et Signal sur la même couche, puis d'ajouter PWR sur la même couche en tant que coulée.

Exemple à 4 couches

Dans l'exemple de carte à 4 couches ci-dessus, le stackup est mieux utilisé si les bus et les lignes qui doivent fournir des flux de bits continus sont placés sur la couche supérieure directement au-dessus de GND. D'autres signaux, tels que les signaux de contrôle qui peuvent être ralentis avec une terminaison RC ou en série, peuvent être placés sur la couche arrière, ainsi que d'autres composants de support. Cependant, si vous avez besoin d'avoir un PCB à 4 couches avec des bus numériques sur les deux couches de surface, alors la meilleure pratique est d'utiliser un stackup alternatif.

L'empilement ci-dessous est sans doute la meilleure alternative pour supprimer le bruit et fournir des chemins de retour clairs partout. Il s'agit de l'empilement SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR, où les signaux et l'alimentation sont routés sur les couches supérieures. Cela fournit un découplage très efficace pour les rails d'alimentation car ils seront (ou devraient être) placés près du plan de GND sur la couche adjacente.

• En savoir plus sur cette alternative d'empilement à 4 couches

Il y a une difficulté dans cette carte, qui peut survenir lorsque plusieurs rails d'alimentation sont présents. Dans le cas où votre carte à 4 couches doit avoir des signaux à haute vitesse sur les deux couches, ainsi que plusieurs rails d'alimentation et une forte intégrité de puissance, l'empilement standard SIG/GND/PWR/SIG ne fonctionnera pas. C'est là qu'ajouter deux couches et construire un empilement à 6 couches est la meilleure option.

Exemple à 6 couches

Comme la plupart des problèmes de routage et d'agencement, qui créent ensuite des problèmes d'EMI, la source du problème est généralement liée à la définition de la masse, ou à une mauvaise disposition des couches dans l'empilement du PCB. Bien que vous puissiez utiliser le plan d'alimentation comme référence d'impédance et chemin de retour pour les signaux, vous devrez placer un plan de masse PCB à proximité pour éviter le couplage entre les couches dans le type d'empilement de couches montré ci-dessous.

Un empilement qui est parfois utilisé dans les conceptions plus denses est l'empilement à 6 couches montré ci-dessous. Les couches de signal supérieure et inférieure sont directement couplées à la masse, pourtant nous avons encore un plan d'alimentation (en bleu sur L3) qui pourrait avoir une forte capacité de plan à la masse sur L2, selon les épaisseurs de couches.

• En savoir plus sur les directives d'empilement à 6 couches

Une disposition de couches alternative qui n'est pas idéale avec le routage à haute vitesse sur une couche interne consiste à avoir deux couches de signal adjacentes et l'alimentation sur L2. Cela pourrait permettre le diaphonie interne et créer des problèmes pour ramener le courant de retour à la masse si les signaux ne sont pas segmentés en différentes régions dans le PCB. Une meilleure disposition serait d'utiliser la carte à 6 couches montrée ci-dessus.

Que dire du couplage directement dans les pistes ? Normalement, la capacité parasite entre les couches voisines peut être assez petite en raison des petites dimensions des pistes de signal, créant ainsi un chemin de retour d'impédance relativement élevée entre tout courant de retour dans le plan d'alimentation sur L3 et le plan de masse sur L5. La manière habituelle de fournir un chemin de retour à faible impédance entre tout courant de retour dans la couche d'alimentation et le plan de masse est de placer un condensateur de découplage/bypass entre les plans d'alimentation/masse. Dans l'exemple ci-dessus, le chemin préférable à faible impédance pour tout courant de retour induit dans le plan d'alimentation est directement vers la masse sur L2, et non sur L5.

À retenir : Concevez votre chemin de retour

Que vous permettiez aux signaux de se coupler de nouveau au plan d'alimentation suivi d'un couplage capacitif dans le plan de masse PCB le plus proche, ou directement au plan de masse, vous devrez soigneusement concevoir votre chemin de retour pour éviter un couplage indésirable entre tout signal de retour. Le point important ici est que tout circuit dans votre carte est complet lorsqu'il se connecte de nouveau au plan de masse PCB, que ce couplage soit direct, à travers des condensateurs de découplage/de bypass, ou grâce à la capacité interplan. C'est pourquoi, dans les PCB modernes, nous disons toujours de router à côté d'un plan de masse : cela permet d'envoyer le chemin de retour directement au plan de masse sans utiliser de condensateurs de bypass, de vias de liaison avec versement de cuivre, ou d'autres mesures qui ne résolvent pas les problèmes créés par un mauvais empilement.

Bien que vous puissiez techniquement tirer parti d'un plan de masse comme couche de blindage et plan de référence pour PCB (en supposant que la différence de potentiel entre la piste de signal et le plan de masse ne soit pas de 0 V), il devient difficile de contrôler le chemin de retour en général. Cela est particulièrement vrai pour les cartes à haute vitesse/haute fréquence. Dans des conceptions plus avancées qui fonctionnent à des niveaux de signal faibles, vous pourriez utiliser des paires différentielles, dans ce cas, le chemin de retour est fourni par la commande différentielle, c'est-à-dire qu'il coule parallèlement à la trace de signal HAUT. Si vous êtes intéressé par en savoir plus sur le traçage du chemin de retour dans votre carte, jetez un œil à cet article de Francesco Poderico.

Les outils de disposition et de routage de PCB les plus récents dans Altium Designer^® incluent un outil de chemin de retour de masse qui s'interface avec le moteur de DRC. Cela vous permet de définir des limites sur l'écart entre une trace et son plan de référence PCB le plus proche comme une règle de conception. Cette règle est vérifiée automatiquement par les outils de routage interactifs au fur et à mesure que vous créez votre carte. Vous disposerez également d'un ensemble complet d'outils pour analyser l'intégrité du signal et préparer les livrables du fabricant.

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