Segui il percorso di ritorno a terra multistrato per prevenire l'EMI

Seguire il percorso di ritorno alla massa può rapidamente diventare complesso in un PCB multistrato complesso. Quando il tuo PCB ha un numero ridotto di strati (ad esempio, un circuito a 4 strati con due strati piani), diventa piuttosto facile determinare il percorso di ritorno e progettarlo deliberatamente per prevenire l'EMI. La situazione diventa più complicata quando si lavora con un numero maggiore di strati. Più strati piani e conduttori possono formare il percorso di ritorno alla massa, anche se il conduttore non è collegato a massa. Qui è utile distinguere tra piani di massa e piani di riferimento poiché entrambi possono far parte del percorso di ritorno nel tuo PCB.

Percorso di Ritorno alla Massa vs. Piani di Riferimento

I piani di riferimento sono una parte intrinseca del percorso di trasmissione del segnale. Che siano posizionati intenzionalmente sulla tua scheda, come un piano di massa per le tracce del segnale, o un piano di riferimento non intenzionale che si trova vicino alle tracce del segnale, può essere difficile da determinare se non si segue attentamente la posizione delle tracce del segnale in tutta la scheda. Il percorso di ritorno alla massa per un segnale potrebbe non passare effettivamente attraverso la massa; potrebbe passare attraverso il telaio, un piano di alimentazione o qualche altro conduttore collegato a massa.

Non importa dove si trovi il percorso di ritorno sulla tua scheda, cercherà sempre di tornare al punto di basso potenziale sulla scheda, ovvero, il punto di ritorno a terra verso l'alimentazione. Che il segnale di ritorno sia indotto nel tuo chassis, piano di alimentazione o altro conduttore, sarà attratto verso terra a causa della differenza di potenziale tra il tuo conduttore di terra e un conduttore mantenuto a un potenziale più alto.

Oltre ad essere una caratteristica del ringiovanimento mentre un segnale si propaga, il percorso di ritorno di un segnale determina il seguente comportamento:

• Suscettibilità all'EMI. L'induttanza del loop creata da un percorso di ritorno determina la suscettibilità di un circuito all'EMI. Un circuito con un grande loop di corrente avrà un'induttanza parassita maggiore, rendendolo più suscettibile all'EMI irradiato. L'induttanza del loop è minore quando il loop è più stretto. Questo è uno dei motivi per cui le tracce di segnali ad alta velocità dovrebbero essere instradate vicino a un piano di riferimento su uno strato adiacente.

• Interferenze nelle schede a segnali misti. La capacità parassita tra un conduttore che trasporta segnali e il suo conduttore di riferimento più vicino, così come il loop creato dal circuito, determinano la reattanza vista da un segnale di commutazione. Poiché la reattanza è una funzione del contenuto di frequenza nel tuo segnale, il percorso di ritorno del segnale diventa più difficile da prevedere a frequenze moderate. Leggi questa guida per saperne di più sulla progettazione di un percorso di ritorno del segnale misto per un singolo strato di piano.

• Percorso del rumore in modo comune. Il rumore in modo comune, una volta indotto in una data traccia, cercherà di seguire lo stesso percorso del tuo segnale fino a terra. Il preciso percorso di ritorno a terra seguito dal rumore in modo comune dipende dal suo contenuto di frequenza poiché questo determina la reattanza vista dal segnale.

La situazione diventa più complicata quando stiamo instradando in un impilamento multistrato con più strati di piano poiché il conduttore di riferimento può cambiare lungo il percorso del segnale. Le principali quantità che determinano il piano di riferimento iniziale sono la capacità parassita tra la traccia del segnale e il conduttore vicino e l'induttanza del circuito. Nota che l'impedenza parassita non è localizzata ai conduttori adiacenti grazie all'induttanza, che può creare un percorso di ritorno a terra complicato in una scheda multistrato.

Puoi tracciare il percorso di ritorno a terra per queste tracce?

Tornare a un Percorso di Ritorno a Terra Solido

Se hai letto ciò che ho scritto sopra e ti stai ancora chiedendo cosa succede alla corrente di ritorno in un PCB complesso, probabilmente ti stai chiedendo: cosa succede quando la corrente è accoppiata a un piano di terra o altro conduttore collegato a terra? Perché ciò dovrebbe accadere in primo luogo? Entrambe sono domande valide.

Parassiti Tra Conduttori Adiacenti

Indirizziamo prima la seconda domanda, poiché aiuta a spiegare la risposta alla prima domanda. La posizione in cui viene introdotto il percorso di ritorno dipende dalla capacità tra la traccia del segnale e i conduttori adiacenti, così come dall'auto-induttanza per il circuito formato dalla traccia del segnale e dal conduttore in questione. Insieme, queste quantità determinano l'impedenza vista dal segnale.

Il percorso con l'impedenza più bassa (nota, che questo percorso può passare attraverso il substrato o attraverso l'aria!) è la direzione seguita dalla corrente di ritorno. Si verifica che il percorso che presenta l'impedenza più bassa (cioè, l'accoppiamento più forte) tra la traccia del segnale e il conduttore candidato sia il conduttore più vicino poiché questo percorso di solito fornisce la maggiore capacità e la minore induttanza.

Piani di alimentazione come percorso di ritorno a terra

Questo spiega perché un piano di alimentazione può agire come conduttore di riferimento se è più vicino a una data traccia di segnale rispetto al piano di terra più vicino. L'impedenza capacitiva/induttiva tra il piano di alimentazione e la traccia del segnale può essere molto maggiore di quei valori tra la traccia e il suo piano di terra più vicino. La storia che abbiamo raccontato qui descrive efficacemente come un segnale può cambiare piani di riferimento mentre attraversa più di uno strato in un PCB multistrato.

Esempio di percorso di ritorno per un segnale che attraversa un piano di alimentazione in un PCB multistrato.

Ora, una terza domanda: come fa un segnale di ritorno accoppiato a un piano di alimentazione a tornare a un percorso di ritorno collegato a terra? Il piano di alimentazione e il piano di terra avranno una certa capacità interplano, che permette alla corrente di ritorno di accoppiarsi nuovamente nel piano di terra. Nel caso in cui i condensatori di bypass siano connessi tra una porta di alimentazione e il piano di terra, contribuiranno anche con un'impedenza capacitiva e induttiva per un segnale di ritorno indotto nel piano di alimentazione.

Il progettista accorto dovrebbe rendersi conto che, in generale, non si dovrebbe tracciare sopra un piano di alimentazione a meno che non si possa garantire un accoppiamento a bassa impedenza di ritorno verso GND per il percorso di ritorno, in particolare nelle schede ad alta velocità/alta frequenza. Si dovrebbe sempre progettare la propria scheda tenendo a mente il percorso di ritorno al fine di ridurre l'EMI. Tipicamente, il percorso di ritorno quando si traccia sopra un piano PWR sarebbe fornito da decoupling capacitors vicini, eventuali vie che collegano regioni di terra, o come corrente di spostamento accoppiata capacitivamente dal piano PWR al piano GND. Il pericolo qui è che il percorso di ritorno sia difficile o impossibile da tracciare attraverso la scheda, specialmente nei stackup a 4 strati, il che creerà una forte fonte di EMI a causa della creazione di un grande loop di corrente e/o di un percorso di ritorno ad alta impedenza.

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