Śledź ścieżkę powrotną masy wielowarstwowej, aby zapobiec EMI

Śledzenie drogi powrotnej do masy może szybko stać się skomplikowane w przypadku złożonej wielowarstwowej PCB. Gdy twoja PCB ma małą liczbę warstw (np. płytka 4-warstwowa z dwoma warstwami płaszczyzn), dość łatwo jest określić drogę powrotną i celowo zaprojektować ją tak, aby zapobiec EMI. Sytuacja staje się bardziej skomplikowana, gdy pracujesz z większą liczbą warstw. Wiele warstw płaszczyzn i przewodników może tworzyć ścieżkę powrotną do masy, nawet jeśli przewodnik nie jest uziemiony. Tutaj przydaje się rozróżnienie między płaszczyznami masy a płaszczyznami odniesienia, ponieważ obie mogą stanowić część ścieżki powrotnej w twojej PCB.

Ścieżka Powrotna do Masy vs. Płaszczyzny Odniesienia

Płaszczyzny odniesienia są nieodłączną częścią ścieżki transmisji sygnału. Niezależnie od tego, czy są one celowo umieszczone na twojej płytce, takie jak płaszczyzna masy dla ścieżek sygnałowych, czy niezamierzone płaszczyzny odniesienia, które leżą blisko ścieżek sygnałowych, może być trudno je zidentyfikować, jeśli nie śledzisz uważnie lokalizacji ścieżek sygnałowych na całej twojej płytce. Ścieżka powrotna do masy dla sygnału może nie przebiegać faktycznie przez masę; mogłaby przebiegać przez obudowę, płaszczyznę zasilania lub jakiś inny uziemiony przewodnik.

Bez względu na to, gdzie przebiega ścieżka powrotna na twojej płytce, zawsze będzie starała się wrócić do punktu o niskim potencjale na płytce, czyli do punktu powrotnego do zasilania. Niezależnie od tego, czy sygnał powrotny jest indukowany w twojej obudowie, płaszczyźnie zasilania czy innym przewodniku, będzie on przyciągany z powrotem do ziemi ze względu na różnicę potencjałów między twoim przewodnikiem ziemi a przewodnikiem utrzymywanym przy wyższym potencjale.

Oprócz bycia charakterystyką dzwonienia, gdy sygnał się rozchodzi, ścieżka powrotna sygnału określa następujące zachowanie:

• Podatność na EMI. Indukcyjność pętli stworzona przez ścieżkę powrotną określa podatność obwodu na EMI. Obwód z dużą pętlą prądową będzie miał większą indukcyjność pasożytniczą, co czyni go bardziej podatnym na promieniowane EMI. Indukcyjność pętli jest mniejsza, gdy pętla jest ciaśniejsza. Jest to jeden z powodów, dla których ścieżki sygnałów wysokiej prędkości powinny być prowadzone blisko płaszczyzny odniesienia na sąsiedniej warstwie.

• Zakłócenia na płytach sygnałów mieszanych. Pojemność pasożytnicza między przewodnikiem przenoszącym sygnał a jego najbliższym przewodnikiem odniesienia, jak również pętla utworzona przez obwód, określają reaktancję widzianą przez przełączający się sygnał. Ponieważ reaktancja jest funkcją zawartości częstotliwości w sygnale, ścieżka powrotna sygnału staje się trudniejsza do przewidzenia przy umiarkowanych częstotliwościach. Przeczytaj ten przewodnik, aby dowiedzieć się więcej o projektowaniu mieszanej ścieżki powrotnej sygnału dla pojedynczej warstwy płaszczyzny.

• Ścieżka szumu wspólnego. Szum wspólny, raz indukowany w danej ścieżce, będzie próbował podążać tą samą ścieżką co sygnał z powrotem do ziemi. Dokładna ścieżka powrotu do ziemi, którą podąża szum wspólny, zależy od jego zawartości częstotliwości, ponieważ to określa reaktancję widzianą przez sygnał.

Sytuacja staje się bardziej skomplikowana, gdy prowadzimy trasowanie w układzie wielowarstwowym z wieloma warstwami płaszczyzn, ponieważ przewodnik odniesienia może się zmieniać wzdłuż ścieżki sygnału. Główne wielkości, które określają początkową płaszczyznę odniesienia, to pojemność pasożytnicza między ścieżką sygnału a pobliskim przewodnikiem oraz indukcyjność obwodu. Należy zauważyć, że impedancja pasożytnicza nie jest zlokalizowana tylko do przewodników sąsiadujących dzięki indukcyjności, co może stworzyć skomplikowaną ścieżkę powrotu do ziemi na płycie wielowarstwowej.

Czy możesz śledzić ścieżkę powrotną masy dla tych ścieżek?

Wróćmy do solidnej ścieżki powrotnej masy

Jeśli przeczytałeś to, co napisałem powyżej, i nadal zastanawiasz się, co dzieje się z prądem powrotnym w skomplikowanej płytce PCB, prawdopodobnie zadajesz sobie pytanie: co się dzieje, gdy prąd jest sprzężony z płaszczyzną masy lub innym uziemionym przewodnikiem? Dlaczego w ogóle miałoby do tego dojść? Oba pytania są słuszne.

Parazyty między sąsiednimi przewodnikami

Zajmijmy się najpierw drugim pytaniem, ponieważ pomaga to wyjaśnić odpowiedź na pierwsze pytanie. Miejsce, w którym wprowadzana jest ścieżka powrotna, zależy od pojemności między ścieżką sygnałową a sąsiednimi przewodnikami, jak również od samoindukcyjności dla obwodu utworzonego przez ścieżkę sygnałową i dany przewodnik. Razem te wielkości określają impedancję widzianą przez sygnał.

Ścieżka o najniższej impedancji (zauważ, że ta ścieżka może prowadzić przez podłoże lub przez powietrze!) to kierunek, którym podąża prąd powrotny. Okazuje się, że ścieżka, która prezentuje najniższą impedancję (tj. najsilniejsze sprzężenie) między ścieżką sygnałową a potencjalnym przewodnikiem, to najbliższy przewodnik, ponieważ ta ścieżka zwykle zapewnia największą pojemność i najmniejszą indukcyjność.

Powierzchnie zasilające jako ścieżka powrotna do masy

To wyjaśnia, dlaczego płaszczyzna zasilająca może działać jako przewodnik odniesienia, jeśli znajduje się bliżej danej ścieżki sygnałowej niż najbliższa płaszczyzna masy. Impedancja pojemnościowa/indukcyjna między płaszczyzną zasilającą a ścieżką sygnałową może być znacznie większa niż te wartości między ścieżką a jej najbliższą płaszczyzną masy. Historia, którą tutaj opowiedzieliśmy, skutecznie opisuje, jak sygnał może zmieniać płaszczyzny odniesienia, przemieszczając się przez więcej niż jedną warstwę w wielowarstwowej płytce PCB.

Przykładowa ścieżka powrotna dla sygnału przechodzącego przez płaszczyznę zasilającą w wielowarstwowej płytce PCB.

A teraz trzecie pytanie: jak sygnał powrotny sprzężony z płaszczyzną zasilającą wraca do ścieżki powrotnej do masy? Płaszczyzna zasilająca i warstwa płaszczyzny masy będą miały pewną pojemność międzywarstwową, która pozwala prądowi powrotnemu sprzęgać się z powrotem do płaszczyzny masy. W przypadku, gdy kondensatory omijające są podłączone między portem zasilającym a płaszczyzną masy, będą one również przyczyniać się do pewnej impedancji pojemnościowej i indukcyjnej dla sygnału indukowanego w płaszczyźnie zasilającej.

Bystry projektant powinien zdawać sobie sprawę, że ogólnie nie należy prowadzić ścieżek nad płaszczyzną zasilania, chyba że można zapewnić niską impedancję sprzężenia zwrotnego do GND dla ścieżki powrotnej, szczególnie na płytach o wysokiej prędkości/częstotliwości. Zawsze należy projektować płytkę, mając na uwadze ścieżkę powrotną, aby zmniejszyć EMI. Zazwyczaj ścieżka powrotna podczas prowadzenia nad płaszczyzną PWR jest zapewniana przez pobliskie dekapsulatory, wszelkie przelotki łączące obszary uziemienia lub jako pojemnościowo sprzężony prąd przesunięcia z płaszczyzny PWR do płaszczyzny GND. Niebezpieczeństwo tutaj polega na tym, że ścieżka powrotna jest trudna lub niemożliwa do śledzenia przez płytę, szczególnie w układach 4-warstwowych, co stworzy silne źródło EMI z powodu tworzenia dużego pętli prądowej i/lub ścieżki powrotnej o wysokiej impedancji.

Mocne narzędzia do projektowania PCB w Altium Designer^® obejmują teraz narzędzie do sprawdzania ścieżki powrotnej do masy wbudowane w silnik DRC. Pozwala to na zdefiniowanie limitów odchylenia między ścieżką a jej najbliższą płaszczyzną odniesienia jako regułę projektową. Jest to następnie automatycznie sprawdzane przez funkcje trasowania w Altium Designer podczas tworzenia warstwy. Będziesz miał również kompletny zestaw narzędzi do analizy integralności sygnału i przygotowywania materiałów dla producenta.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj dziś z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.

Dowiedz się więcej o sprawdzaniu ścieżki zwrotnej w Altium Designer