Piani di Alimentazione e Piani di Terra: Dovresti Usare il Tuo Piano di Alimentazione PCB come Percorso di Ritorno?

I piani di alimentazione (a volte chiamati strato di alimentazione) e i piani di massa sono importanti non solo per la distribuzione dell'alimentazione. Quando si definiscono i piani di riferimento, sia con il routing controllato dall'impedenza che nella gestione dei percorsi di ritorno, il vostro stackup potrebbe costringere le correnti di ritorno a passare in un piano di alimentazione del PCB prima di essere accoppiate nuovamente a uno strato di massa. Anche se si definisce uno strato di riferimento GND come base per la larghezza della traccia controllata dall'impedenza, è comunque necessario definire un chiaro percorso di ritorno lungo la lunghezza del piano di alimentazione nel vostro design. Vediamo alcune buone pratiche per controllare i percorsi di ritorno nel vostro PCB con un piano di alimentazione come percorso di ritorno.

Comportamento del segnale con un piano di alimentazione del PCB come percorso di ritorno

Quando diciamo "percorso di ritorno", ci riferiamo al percorso che viene naturalmente seguito dalla corrente di ritorno in un design, dove la corrente può viaggiare di nuovo al terminale di basso potenziale sul lato di ingresso dell'assemblaggio del PCB. Per un segnale che viaggia su una linea di trasmissione, il percorso di ritorno è determinato dalla capacità tra la linea e il suo piano di riferimento. Una capacità maggiore, una frequenza maggiore, o entrambi, significa che la corrente di ritorno può facilmente passare nello strato di terra come una corrente di spostamento.

Ciò significa, a sua volta, che la distanza tra una linea di trasmissione e il suo piano di riferimento, qualunque sia il tipo di piano di riferimento, determina alcuni comportamenti elettrici importanti nei progetti reali. Tali comportamenti includono:

• Suscettibilità all'EMI da fonti esterne, che può essere ricevuta induttivamente attraverso un grande circuito di corrente, o capacitivamente tramite il campo elettrico
• Impedenza inconsistente, che si verifica quando si effettua il routing tra regioni del piano, sopra i vuoti, o con larghezze di traccia variabili lungo un interconnettore
• Diafonia da altre tracce, che può accoppiarsi più facilmente in modo induttivo in una traccia vittima se il progetto ha un 
• Perdite durante la propagazione, che si verificano a causa della concentrazione delle linee di campo tra la linea di trasmissione e il piano di riferimento vicino o altri conduttori

Se puoi scegliere tra l'utilizzo di un piano di potenza o di terra come strato adiacente che fornisce un percorso di ritorno o un riferimento di segnale, dovresti sempre scegliere il piano di terra del PCB. Ci sono due motivi per questo, che spiegherò più in dettaglio di seguito.

Accoppiamento Capacitivo

Prima di discutere su come un piano di alimentazione funzioni (o meno) effettivamente come un percorso di ritorno, dobbiamo porci la domanda: come farebbe la corrente di una linea di trasmissione ad entrare nel piano di alimentazione del PCB in primo luogo. La risposta è: accoppiamento capacitivo! Ricordate, come è stato menzionato sopra, il percorso di ritorno è indotto tra una linea di trasmissione e qualsiasi conduttore vicino. Per un piano vicino, ciò avviene ogni volta che c'è un potenziale elettrico variabile tra la linea e il piano. Pertanto, ogni volta che abbiamo una traccia posizionata accanto a un piano, e un segnale digitale viaggia lungo quella traccia, ora abbiamo una corrente di spostamento che viene guidata nel piano.

Se il piano vicino fosse un piano di massa allo stesso potenziale del nostro punto di basso potenziale all'ingresso di alimentazione, allora tutto sarebbe perfetto. Il problema è che, quando la corrente deve poi passare da un piano di alimentazione e entrare nello strato di terra vicino, la corrente dovrà attraversare un altro strato dielettrico per raggiungere un piano di massa del PCB.

A seconda di come è progettato l'impilamento e l'area della scheda in cui il segnale è indotto, la capacità tra i due strati potrebbe formare un percorso di impedenza molto alta tra il piano di alimentazione e il piano di massa. A seconda dell'impilamento, come nel semplice impilamento a 4 strati mostrato di seguito, la capacità del piano tra il strato di alimentazione e il strato del piano di massa della PCB potrebbe essere molto piccola (dell'ordine dei femtofarad per mm quadrato), creando un percorso di ritorno di impedenza estremamente alto eccetto che per segnali digitali estremamente veloci o segnali RF di frequenza molto alta. L'unica altra opzione in questo percorso tra il piano di alimentazione e il piano di massa è attraverso il condensatore di disaccoppiamento più vicino, come mostrato di seguito. In entrambi i casi, potresti avere un problema di EMI da qualche parte nella scheda.

Per i segnali single-ended tipicamente a bassa velocità (come i segnali I2C o SPI limitati dal tempo di salita), l'EMI generato da questo accoppiamento a GND potrebbe non essere il problema più grande. Questo non accade affatto con dispositivi puramente DC o analogici a bassa frequenza. Tuttavia, con i componenti CMOS standard di oggi, anche i bus single-ended nei componenti digitali comuni possono avere questo problema. Quindi, qual è la soluzione?

La risposta si trova nel ridisegnare l'impilamento del PCB. Il percorso più semplice è aggiungere strati che forniscono il ritorno a terra. Generalmente, non saranno necessarie altre modifiche al design a patto che tutti i piani di GND siano collegati insieme con delle vie di stitching posizionate a intervalli appropriati. Qualcosa di più dispendioso in termini di tempo, da un punto di vista del design, come nel caso dell'impilamento a 4 strati sopra menzionato, è posizionare PWR e Segnale sullo stesso strato, e poi aggiungere PWR sullo stesso strato come riempimento.

Esempio a 4 Strati

Nell'esempio della scheda a 4 strati sopra, l'impilamento è meglio utilizzato se i bus e le linee che devono fornire flussi di bit continui sono posizionati sullo strato superiore direttamente sopra GND. Altri segnali, come i segnali di controllo che possono essere rallentati con terminazione RC o in serie, possono essere posizionati sullo strato posteriore, così come altri componenti di supporto. Tuttavia, se hai bisogno di avere un PCB a 4 strati con bus digitali su entrambi gli strati superficiali, allora la pratica migliore è utilizzare un impilamento alternativo.

Il stackup qui sotto è probabilmente la migliore alternativa per sopprimere il rumore e fornire percorsi di ritorno chiari ovunque. Questo è il stackup SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR, dove i segnali e l'alimentazione sono instradati sui livelli superiori. Questo fornisce un decoupling molto forte per i binari di alimentazione perché saranno (o dovrebbero essere) posizionati vicino al piano GND sul livello adiacente.

• Scopri di più su questa alternativa di stackup a 4 strati

C'è una difficoltà in questa scheda, che può sorgere quando ci sono molteplici binari di alimentazione. Nel caso in cui la tua scheda a 4 strati debba avere segnali ad alta velocità su entrambi i livelli, così come molteplici binari di alimentazione e una forte integrità dell'alimentazione, lo stackup standard SIG/GND/PWR/SIG non funzionerà. Questo è il momento in cui aggiungere due strati e costruire uno stackup a 6 strati è la migliore opzione.

Esempio a 6 Strati

Come nella maggior parte dei problemi di routing e layout, che poi generano problemi di EMI, la fonte del problema è solitamente una delle seguenti: definire il ground, o avere un errato arrangiamento dei layer nello stackup del PCB. Anche se puoi usare il piano di alimentazione come riferimento di impedenza e percorso di ritorno per i segnali, dovrai posizionare un piano di ground del PCB nelle vicinanze per prevenire l'accoppiamento tra i layer nel tipo di stackup mostrato di seguito.

Uno stackup che a volte viene utilizzato nei design più densi è lo stackup a 6 layer mostrato di seguito. I layer di segnale superiore e inferiore sono accoppiati direttamente al ground, tuttavia abbiamo ancora un piano di alimentazione (in blu su L3) che potrebbe avere un'elevata capacità di piano verso il ground su L2, a seconda degli spessori dei layer.

• Scopri di più sulle linee guida per lo stackup a 6 layer

Un'alternativa all'arrangiamento dei layer che non è ideale con il routing ad alta velocità su un layer interno è avere due layer di segnale adiacenti e l'alimentazione su L2. Questo potrebbe permettere crosstalk interno e creare problemi nel far tornare la corrente al ground se i segnali non sono segmentati in diverse regioni nel PCB. Un arrangiamento migliore sarebbe utilizzare la scheda a 6 layer mostrata sopra.

Che dire del collegamento diretto alle tracce? Normalmente, la capacità parassita tra i livelli adiacenti può essere piuttosto piccola a causa delle piccole dimensioni delle tracce di segnale, creando un percorso di ritorno ad alta impedenza tra qualsiasi corrente di ritorno nel piano di alimentazione su L3 e il piano di massa su L5. Il modo normale per fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza tra qualsiasi corrente di ritorno nel piano di alimentazione e il piano di massa è posizionare un condensatore di disaccoppiamento/bypass tra i piani di alimentazione/massa. Nell'esempio sopra, il percorso a bassa impedenza preferibile per qualsiasi corrente di ritorno indotta nel piano di alimentazione è direttamente a terra su L2, non su L5.

La Conclusione: Progetta il Tuo Percorso di Ritorno

Che tu permetta ai segnali di accoppiarsi di nuovo al piano di alimentazione seguito da un accoppiamento capacitivo nel piano di massa PCB più vicino, o direttamente al piano di massa, dovrai ingegnerizzare attentamente il tuo percorso di ritorno per prevenire un accoppiamento indesiderato tra qualsiasi segnale di ritorno. Il punto importante qui è che qualsiasi circuito nella tua scheda è completo quando si collega di nuovo al piano di massa PCB, indipendentemente dal fatto che questo accoppiamento sia diretto, tramite condensatori di decoupling/bypass, o grazie alla capacitanza interplana. Questo è il motivo per cui, nelle PCB moderne, diciamo sempre di tracciare adiacente a un piano di massa: ciò consente al percorso di ritorno di essere inviato direttamente al piano di massa senza usare condensatori di bypass, vie di cucitura con riempimento di rame o altre misure che non risolvono i problemi creati da un cattivo stackup.

Mentre tecnicamente è possibile sfruttare un piano di alimentazione come strato di schermatura e piano di riferimento per il PCB (assumendo che la differenza di potenziale tra la traccia del segnale e il piano di alimentazione non sia di 0 V), diventa difficile controllare il percorso di ritorno in generale. Questo è particolarmente vero per schede ad alta velocità/alta frequenza. In progetti più avanzati che operano a livelli di segnale bassi, potresti utilizzare coppie differenziali, in questo caso il percorso di ritorno è fornito dalla guida differenziale, ovvero fluisce in parallelo alla traccia del segnale ALTO. Se sei interessato ad approfondire come tracciare il percorso di ritorno sulla tua scheda, dai un'occhiata a questo articolo di Francesco Poderico.

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