Sovrapposizione dei piani in un layout PCB a segnale misto

I piani di alimentazione, o almeno la colata poligonale utilizzata per l'alimentazione, sono indispensabili nei PCB moderni. I sistemi digitali così come li conosciamo, probabilmente non esisterebbero senza la capacità di suddividere le reti di alimentazione in diverse regioni. Con le schede digitali che funzionano a CC nominale (possibilmente con rumore sovrapposto da un regolatore di commutazione), la condivisione di un piano di alimentazione o l'utilizzo di più piani di alimentazione è essenziale per instradare grandi correnti a livelli logici/core standard ai componenti digitali. Ma che dire delle reti di alimentazione analogiche e della potenza che forniscono? Come le integriamo in un layout PCB a segnale misto?

Quando inizi a mescolare sezioni analogiche e digitali nei layer di alimentazione con più reti, implementare un'alimentazione pulita in una progettazione può risultare particolarmente difficile se non presti la dovuta attenzione al layout. Ad alte frequenze, ciò può creare un notevole problema di EMI, fino a frequenze RF quando i diversi tipi di regioni del piano sono sovrapposti. In questo caso dobbiamo pensare a come intercalare regioni di alimentazione e di massa in una scheda a più layer o separare diverse regioni di alimentazione in schede con un numero minimo di layer.

Il problema dei piani a segnale misto

Uno dei grandi dibattiti che si ripresenta sovente nel: layout PCB a segnale misto, progettazione del piano e progettazione dello stack-up riguarda sia la disposizione della massa e delle reti di alimentazione che la definizione di cosa può essere esattamente considerato massa. Supponiamo che tu decida di avere un piano di massa completamente analogico e un piano di massa completamente digitale (per tua informazione, questa pratica non è consigliabile). Se queste sezioni fossero fisicamente scollegate, quale di esse verrebbe definita 0V? Condividono lo stesso potenziale solo se sono collegate con i cappucci? Non è una domanda banale.

La stessa domanda vale per una coppia di piani di alimentazione, o meglio, per qualsiasi coppia di conduttori separati da un isolante e tra i quali vi sia una differenza di potenziale diversa da zero. Se pensi che ciò assomigli a un condensatore, hai ragione! Ogni volta che hai due piani o poligoni separati l'uno dall'altro dal dielettrico isolante, hai creato un condensatore. Ciò significa che i piani di alimentazione si caricheranno e si scaricheranno quando tra loro si sviluppa un potenziale, inclusi due piani di alimentazione, due piani di massa o un piano di alimentazione e un piano di massa.

Considera la seguente disposizione dei poligoni. I poligoni viola alimentano due circuiti integrati con corrente VDD, cioè nominalmente con una tensione in corrente continua; i layer adiacenti sono la massa. La regione azzurra è un'altra rete CC con una tensione diversa, alimentata da un regolatore diverso. La domanda è la seguente: cosa accadrebbe se li impilassimo in un PCB multi-layer?

La suddetta disposizione mostra due reti CC, una situazione di cui parlerò più nel dettaglio in seguito. E se la regione azzurra fosse una rete di alimentazione analogica? Nei layout PCB a segnale misto dobbiamo porci la domanda: come dovremmo disporre i piani sovrapposti in modo da non accoppiare il rumore tra le diverse regioni della scheda? Ricorda che una delle principali sfide in un layout PCB a segnale misto è prevenire interferenze involontarie tra segnali analogici e digitali, le quali degraderebbero principalmente i segnali analogici. In questo caso la capacità elettrica tra due layer di un piano è problematica e diventa ancora più difficile ad alte frequenze.

Ecco come comprendere meglio gli effetti della sovrapposizione di piani a diversi potenziali, in particolare nei PCB a segnale misto.

Sovrapposizione di tensione CC e alimentazione analogica

Quando si sovrappongono poligoni o piani digitali e analogici, la capacità tra le due regioni di alimentazione si caricherà e scaricherà costantemente come corrente di spostamento a causa dell'oscillazione nel piano analogico. Ecco un'illustrazione di questo concetto:

Ad alte frequenze e ad alta potenza, come quando un segnale RF viene alimentato da un bus di alimentazione analogico, questo accoppiamento tra i piani può creare emissioni RF dovute alla corrente di spostamento oscillante su entrambi i lati delle regioni del piano. Ciò può risultare problematico per i prodotti di potenza nella gamma di GHz elevati, che possono quindi causare risonanze strutturali all'interno della scheda. Questo si traduce quindi in forti emissioni sul bordo della scheda, se non sono state adottate determinate misure di soppressione, quali l'utilizzo di via stitching o poligoni più complessi come le strutture di bandgap elettromagnetiche utilizzate per l'isolamento di antenne.

Usa un piano di massa unico e non diviso

Con "non diviso", intendo un piano di massa che non presenti sezioni fisicamente scollegate. È consigliabile posizionare circuiti analogici e circuiti digitali in aree diverse al di sopra di un piano di massa uniforme, con l'idea di sfruttare i percorsi di ritorno ad alta frequenza/alta velocità per creare un certo isolamento. Inoltre, ciò aiuta a eliminare la necessità di instradare le tracce analogiche/digitali all'interno della scheda, riducendo così il rischio di diafonia. Ne ho discusso a lungo in un recente articolo del blog, in cui spiego perché è preferibile utilizzare un piano di massa uniforme.

In caso di due piani CC con potenziali diversi

Quando hai due piani di alimentazione a tensioni CC diverse, questi si caricheranno inizialmente alle rispettive tensioni CC e non ci sarà corrente di spostamento che scorrerà attraverso i piani in questo stato stazionario. Tuttavia, i piani CC non sono realmente al potenziale CC. C'è da notare che a causa del rumore dei regolatori di commutazione o del rumore transitorio dovuto al collasso massa/pista, il potenziale di ciascun piano può essere solo nominalmente CC ed è accompagnato da un rumore di commutazione sovrapposto in ogni piano. Il rumore atipico che può accoppiarsi tra due piani CC è:

1. Rumore di commutazione dai regolatori, che include molte armoniche e può raggiungere la gamma dei MHz elevati
2. Rumore proveniente da altre fonti, come rumore di modo comune o qualsiasi EMI emessa da radiatori esterni

Riepilogo

Se colleghi tutti le masse a un unico piano di riferimento come massa del tuo sistema, allora tutte le masse utilizzate avranno (o dovrebbero avere) la stessa definizione di potenziale 0V nel sistema. Ciò significa che la distinzione tra massa analogica e massa digitale è insignificante e dobbiamo solo preoccuparci della alimentazione analogica e digitale.

Determinare la migliore disposizione dei piani di alimentazione e di massa di un PCB, incluso un PCB a segnale misto, non è semplice. Usa gli strumenti CAD in Altium Designer® per definire le regioni di alimentazione/massa della tua scheda e creare il percorso fisico. Per valutare l'integrità del segnale e l'EMI di un layout PCB, gli utenti di Altium Designer possono utilizzare l'estensione EDB Exporter per importare il proprio progetto nei solutori sul campo Ansys ed eseguire una serie di potenti simulazioni per valutare l'integrità del segnale. Quando avrai completato il progetto e vorrai inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ ti permetterà di semplificare la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori.

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