Projektowanie sześciowarstwowego układu PCB dla zwiększonej kompatybilności elektromagnetycznej

Płytka PCB o 6 warstwach jest ekonomicznym i popularnym układem stosowanym w różnorodnych aplikacjach o dużej liczbie połączeń i małych rozmiarach. Większe płytki mogą dobrze funkcjonować z układem 4-warstwowym, gdzie warstwy sygnałowe mogą być poświęcone, aby zapewnić izolację między każdą stroną płytki. Z odpowiednim układem 6-warstwowym można tłumić EMI między różnymi warstwami oraz umożliwić montaż komponentów o małym rozstawie wyprowadzeń i dużej liczbie połączeń. Jednak są przypadki, kiedy bardziej sensowne jest użycie układu 4- lub 8-warstwowego, i pomocne jest zrozumienie funkcji warstw płaszczyzn w płytce, aby dokonać tego osądu.

Ile warstw zasilania, masy i sygnałowych potrzebuję?

Odpowiedź na to pytanie jest niezwykle ważna i naprawdę zależy od zastosowania twojej płytki. Jeśli projektujesz gęsto upakowaną płytę o ograniczonej przestrzeni, ale wszystko działa na niskiej prędkości lub w DC, często wystarczą dwie warstwy płaszczyzn i cztery warstwy sygnałowe. Jednak w takim przypadku często można zmniejszyć liczbę warstw do 4, stosując kreatywne układanie i trasowanie.

Jeśli potrzebujesz znacznie zmniejszyć podatność na EMI, używany jest alternatywny układ warstw, i powinieneś zdecydować się na więcej warstw zasilania/masy a mniej warstw sygnałowych. Jeśli jest to płyta cyfrowa lub mieszana, rozmieszczenie sygnałów względem warstw płaszczyzn oraz blisko rozmieszczone pary płaszczyzn zasilania/masy, da ci elastyczność potrzebną do prowadzenia ścieżek wszędzie na płycie bez tworzenia problemu z EMI. Dodanie więcej masy wokół płyty może również mieć znaczący efekt ekranowania bez potrzeby stosowania nieeleganckiego rozwiązania jak puszki ekranujące.

Jeśli będziesz mieszać sygnały cyfrowe i analogowe, sygnały o wysokiej i niskiej częstotliwości, lub kombinację wszystkich tych, nadal możesz kreatywnie wykorzystać układ warstw PCB na 6 warstwach. W pewnym momencie możesz potrzebować zdecydować się na większą płytę lub więcej warstw w swoim układzie (lub oboje!). Istnieje wiele kombinacji warstw sygnałowych/płaszczyzn dla układów PCB na 6 warstw, ale poniżej zostaną pokazane kilka powszechnych przykładów.

Przykłady układów PCB na 6 warstw

Z tym na uwadze, zanurzmy się w kilka przykładów układów PCB na 6 warstw:

Sygnał+ZAS/MAS/2 warstwy sygnałowe/MAS/Sygnał+ZAS

Przykład układu warstw PCB z sześcioma warstwami jest popularną opcją na poziomie początkującym, która zapewnia ekranowanie dla wolnych ścieżek na wewnętrznej warstwie przed ścieżkami na warstwach zewnętrznych. Istnieje również ścisłe sprzężenie z płaskimi płaszczyznami. Możesz prowadzić sygnały o niższej częstotliwości/wolniejszych prędkościach przełączania lub przez wewnętrzną warstwę, o ile są one ortogonalne. Ja bym prowadził sygnały cyfrowe i/lub analogowe o wyższych prędkościach na warstwach zewnętrznych, aby ekranować je wzajemnie oraz od wolniejszych ścieżek/częstotliwości na wewnętrznych warstwach. Przykład jest pokazany poniżej.

W tym przypadku nie mieszałbym sygnałów analogowych i cyfrowych na wewnętrznych warstwach, chyba że możesz je oddzielić w różnych regionach płytki. Jednak w tego typu sytuacji, gdy potrzebna jest separacja między sekcjami cyfrowymi i analogowymi, prawdopodobnie można sobie poradzić na układzie z czterema warstwami z wewnętrznymi płaszczyznami i nieco kreatywnym układem/trasowaniem, lub można użyć preferowanego układu SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR na czterech warstwach (zobacz tutaj wytyczne).

W tego typu układzie warstw, nie twórz warstwy 2 jako warstwy płaszczyzny zasilania i nie próbuj wykonywać par sprzężonych na szeroko na L3+L4. Zamiast tego będziesz prowadzić zasilanie na warstwie sygnałowej. Głównym problemem w tym przypadku jest brak pojemności międzywarstwowej między warstwami płaszczyzn zasilania i masą oraz wysoka indukcyjność ścieżki powrotnej z L1 do L5. Ponieważ te warstwy płaszczyzn są oddzielone, potrzebne będzie więcej dekapsulatorów i przelotek masowych, aby skompensować nieprzewidywalne ścieżki powrotne dla sygnałów na L1. Z tego powodu te płytki powinny być prawdopodobnie używane tylko z systemami zasilania lub DC, które nie wymagają precyzyjnego przewidywania i śledzenia ścieżki powrotnej.

Signal/GND/PWR/GND/Signal/GND

Ten przykład 6-warstwowego układu PCB jest dobrym asymetrycznym układem dla płyt, które muszą zapewnić dużo sprzęgania dla sygnałów wysokiej prędkości, ale gdzie gęstość nie jest na tyle wysoka, że potrzeba 3 warstw przeznaczonych na sygnały. Jednym z przykładów jest mieszanka sygnałów wysokiej prędkości (L1) i niskiej prędkości (l5), ponieważ będą one od siebie izolowane, a blisko rozmieszczone warstwy zasilania i masy zapewnią wysokie sprzęganie w celu wsparcia integralności mocy wysokiej prędkości. Wewnętrzna warstwa sygnałowa będzie osłonięta od warstwy sygnałowej na powierzchni, ponieważ jest umieszczona pomiędzy dwoma warstwami masy. Jest to również użyteczne do tłumienia EMI, które mogłoby zakłócać wewnętrzną warstwę sygnałową, ponieważ pełne przewodniki zapewniają skuteczną osłonę. Warstwy zasilania i masy prawdopodobnie będą blisko rozmieszczone, aby zapewnić skuteczne sprzęganie dla urządzeń cyfrowych wysokiej prędkości.

Głównym problemem tej konfiguracji warstw jest to, że umożliwia ona łatwe umieszczanie komponentów tylko na górnej warstwie, chyba że zaczniemy wycinać masę z dolnej warstwy, aby zrobić miejsce na komponenty, więc w zasadzie budujemy płytę jednostronną. Jest to drogie rozwiązanie dla produkcji, ponieważ wymaga dużo wiercenia, aby umieścić przelotki do wewnętrznej warstwy sygnałowej. Podkreśla to zalety stosowania układu PCB z 4 warstwami lub 8 warstwami. Przy użyciu układu 8-warstwowego można stworzyć podobny układ przylegających do siebie warstw zasilania/masy w warstwach wewnętrznych, jednocześnie umożliwiając wewnętrzne trasowanie oraz umieszczanie komponentów i trasowanie na dolnej warstwie.

Signal/GND/PWR/Signal/GND/Signal

Jest to wariant poprzedniej płyty, który zapewnia dodatkową warstwę sygnałową. Jest to dobry punkt wyjścia, jeśli pracujesz z cyfrowym systemem o umiarkowanej liczbie wejść/wyjść, który wymaga kontroli impedancji na zewnętrznych warstwach. Na przykład, stosujemy ten układ warstw w przełącznikach sieciowych i płytach sygnałów mieszanych pracujących z prędkościami Gbps lub wyższymi. Wadą jest mniejsze sprzęganie między PWR a GND w porównaniu do poprzedniego układu warstw. Niskie sprzęganie PWR/GND jest kompensowane za pomocą banków dekapsulatorów. L4 może być następnie używany z sygnałami o niższej prędkości, które są odniesione do PWR, co następnie będzie miało bezpośrednie sprzęganie z powrotem do GND na L2.

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

Jeśli twoja płyta będzie używana w środowisku o dużym zanieczyszczeniu elektrycznym, lub będzie umieszczona w pobliżu silnego źródła promieniowania, ten układ warstw zapewnia doskonałą tłumienie EMI. Dzięki dodaniu starannie rozmieszczonych przelotek zszywających, możesz zapewnić ekranowanie do pewnej wysokiej częstotliwości (zazwyczaj daleko w zakresie GHz). Wadą jest to, że są tylko dwie warstwy sygnałowe, więc przestrzeń na płycie do prowadzenia sygnałów będzie ograniczona. Będziesz również przecinać płaszczyznę PWR przelotkami podczas prowadzenia sygnałów między warstwami sygnałowymi lub na warstwy powierzchniowe. Mimo to, umieszczenie warstw sygnałowych między ułożonymi warstwami przewodzącymi jest dobrym wyborem z punktu widzenia EMC.

Ten układ warstw zapewnia kolejną, nie tak oczywistą korzyść: lepsze zarządzanie ciepłem. Chociaż te płyty nie są przeznaczone do systemów zasilania z wysokimi prądami, przewodniki po obu stronach warstwy sygnałowej i w warstwach wewnętrznych mogą pomóc transportować ciepło do krawędzi i powierzchni płyty, gdzie następnie może być rozpraszane za pomocą chłodzenia pasywnego lub aktywnego. Nie będziesz miał takiego samego poziomu rozpraszania ciepła, jak w przypadku płyty z rdzeniem metalowym lub ceramicznym, ale masz zalety wielu płaszczyzn do ekranowania, aby wspomóc tłumienie EMI.

Uwaga na temat prowadzenia sygnałów między wieloma warstwami

Często mówimy o prowadzeniu przelotek przez wiele warstw, ale robienie tego może stworzyć nieciągłość w ścieżce powrotnej, co zwiększa obszar pętli dla obwodu. W takim przypadku, pasożytnicza pojemność między warstwami będzie musiała zapewnić pewne rozładowanie, które indukuje prąd powrotny w pobliżu przelotki sygnałowej. Niestety, pojemność ta jest zazwyczaj zbyt mała, aby zapewnić niezawodną ścieżkę powrotną o niskiej impedancji. Z tego powodu, ścieżka powrotna pojawi się w najbliższym kondensatorze sprzęgającym, lub w przelotkach, których używasz do połączenia regionów uziemienia na wielu warstwach, wszystkie z nich mogą być daleko od przelotki sygnałowej. Rezultatem jest bardzo duża ścieżka powrotna z dużą indukcyjnością pętli, co stworzy nowy problem EMC, który musisz rozwiązać.

W rezultacie, istnieją dwie powszechne opcje, które są wymieniane jako sposoby na eliminację EMI wynikającego z braku ścieżki powrotnej:

1. Umieść kondensator sprzęgający równolegle do ścieżki sygnałowej, aby zapewnić ścieżkę powrotną
2. Umieść uziemioną ścieżkę lub parę uziemionych ścieżek równolegle do ścieżki sygnałowej, aby zapewnić ścieżkę powrotną

Moim zdaniem lepszą opcją jest umieszczenie jednej lub dwóch uziemionych ścieżek biegnących wzdłuż ścieżki sygnałowej, pod warunkiem, że obie płaszczyzny odniesienia są na tym samym potencjale. Zapewnia to ścieżkę powrotną o niskiej indukcyjności i bez przerywania sprzężenia z płaszczyznami odniesienia. Potrzeba zapewnienia ścieżki powrotnej jest jednym z powodów, dla których projektant może po prostu wypełnić wszystko w układzie uziemionymi ścieżkami po zakończeniu projektowania.Jeśli robisz to za pomocą ścieżek, upewnij się, że przeczytałeś ten artykuł.

Aby zobaczyć inne przypadki użycia związane z układami 6-warstwowymi w celu tłumienia EMI, szczególnie w produktach IoT, zapoznaj się z niedawną prezentacją Kena Wyatta na AltiumLive 2022.

Twój pakiet do projektowania PCB powinien zawierać narzędzia potrzebne do stworzenia układu warstw od podstaw. Z Altium będziesz miał pełną kontrolę nad układem warstw, stałymi materiałowymi i wymiarami. Będziesz nawet mógł użyć menedżera układu warstw, aby z łatwością tworzyć systemy sztywno-elastyczne i wielopłytowe. Wszystkie te narzędzia projektowe są bezpośrednio zintegrowane z twoim projektowaniem schematów, układem i narzędziami generowania dokumentacji w jednym programie.

Pobierz darmową wersję próbną Altium, aby zobaczyć, jak potężne narzędzia dają ci pełną kontrolę nad twoją płytą. Będziesz miał również dostęp do przykładów układów PCB z 6 warstwami oraz najlepszych funkcji projektowych, których wymaga branża, w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

Zamień swoje przestarzałe narzędzie do projektowania PCB i Odblokuj 45% ZNIŻKI na Altium już dziś!