Opanowanie kontroli EMI w projektowaniu PCB: Jak wybrać układ warstw dla projektu EMC

Jednym z najważniejszych pojęć do opanowania podczas projektowania PCB, które wyróżniają się pod względem Kompatybilności Elektromagnetycznej (EMC), jest wybór układu warstw PCB.

Rysunek 1 - Narzędzie Layer Stack Manager w Altium Designer

Staje się to jednym z najistotniejszych aspektów, ponieważ ściśle wiąże się z ograniczeniem pól elektromagnetycznych w naszym projekcie PCB.

W tym trzecim artykule z serii Mastering EMI Control in PCB Design będziemy badać te koncepcje bardziej szczegółowo, a także przyjrzymy się innym ważnym koncepcjom EMC.

Aby sygnał mógł propagować się w obwodzie, wymaga dwóch przewodników, aby utworzyć pełną pętlę prądową. Jeden przewodnik przenosi sygnał, a drugi zapewnia drogę powrotną, co umożliwia przepływ prądu i skuteczną transmisję sygnału. Jednego z przewodników nazywamy przewodnikiem sygnału, a drugiego przewodnikiem powrotnym sygnału i przewodnikiem odniesienia. Przewodnik odniesienia jest tak nazwany, ponieważ jego zadaniem jest zapewnienie nie tylko odniesienia (lub zerowego wolta) dla sygnału, ale także zapewnienie ścieżki o najmniejszej impedancji, aby prąd sygnału mógł powrócić do źródła, które go wygenerowało. Aby osiągnąć ścieżkę o najmniejszej impedancji, najlepszą konfiguracją byłoby wybranie płaszczyzny zamiast ścieżki, i ta płaszczyzna powinna być wolna od rozszczepień, cięć lub innych segmentacji, które mogą tworzyć nieciągłości impedancji dla sygnałów.

Z tego podstawowego pojęcia wynika, że na każdej warstwie, na której mamy sygnał, potrzebujemy drugiego przewodnika, płaszczyzny odniesienia powrotu, która zapewnia ścieżkę powrotną i odniesienia. Postępując zgodnie z tą prostą zasadą, możemy następnie zdecydować, jak zaprojektować nasze układy warstw, po prostu dopasowując każdą warstwę sygnałową do sąsiedniej Płaszczyzny Odniesienia Powrotu (RRP).

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Oto kilka przykładów układów warstw, które pozwolą zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne.

Przykład układu dwuwarstwowego

W przypadku układu dwuwarstwowego możemy mieć konfigurację, w której jedna warstwa jest przeznaczona dla sygnałów i ścieżek zasilających, podczas gdy druga warstwa jest pełną warstwą odniesienia dla powrotu.

Rysunek 2 - Przykład układu dwuwarstwowego z narzędziem Layer Stack Visualizer w Altium Designer

Warstwa ta nie powinna mieć podziałów ani innych dużych przerw. Jest to również ważne, aby unikać prowadzenia sygnałów nad przerwami, co może tworzyć nieciągłości impedancji i powiększać pętle prądowe, ostatecznie zwiększając emisje promieniowane. Jeśli mamy ścieżki, które muszą przejść z jednej warstwy na drugą, chcemy upewnić się, że przejście jest jak najkrótsze i nie odbywa się pod innymi ścieżkami sygnałowymi.

Przykład dla układu czterowarstwowego

Ten sam podejście można zastosować w przypadku układu czterowarstwowego. Taki układ jest odpowiedni, gdy zwiększa się gęstość komponentów i ścieżek, a potrzebna jest druga warstwa do prowadzenia ścieżek sygnałowych. Chociaż układ trójwarstwowy mógłby osiągnąć podobną konfigurację, zwykle nie jest to najlepsza opcja dla celów produkcyjnych, ponieważ producenci zazwyczaj oferują układy warstw parami.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Dla układu 4-warstwowego istnieją dwie efektywne konfiguracje:

1. Pierwsza konfiguracja ma płaszczyzny odniesienia zwrotu jako wbudowane płaszczyzny w układzie. Oznacza to, że warstwa 1 i warstwa 4 będą płaszczyznami sygnałowymi, podczas gdy warstwy 2 i 3 będą zapewniać zwrot i odniesienie dla sygnałów na warstwach 1 i 4, odpowiednio.

2. Druga konfiguracja ma płaszczyzny odniesienia zwrotu na warstwach 1 i 4, które działają jako rodzaj tarczy dla obwodu, podczas gdy warstwy sygnałowe znajdują się na warstwach 2 i 3, wbudowane w układ. W tej konfiguracji chcemy zwiększyć przestrzeń między warstwami 2 i 3, aby pola obu sygnałów nie zakłócały się wzajemnie. Zamiast tego, każda warstwa sygnałowa łączy się z płaszczyznami odniesienia zwrotu.

W obu konfiguracjach należy również zaimplementować przelotki łączące między płaszczyznami odniesienia zwrotu. Główne cele tego to:

• Stworzenie rodzaju tarczy Faradaya w celu zmniejszenia emisji i zewnętrznych zakłóceń;

• Utrzymanie płaszczyzn tak samo potencjalnych, jak to możliwe i redukcja napięć wspólnych;

• Zapewnienie zwrotu i odniesienia dla sygnałów, które przechodzą pionowo z jednej warstwy na inną.

W tym przypadku zasilanie będzie również prowadzone na warstwach sygnałowych.

Rysunek 3 - Przykład układu 4-warstwowego z narzędziem Layer Stack Visualizer w Altium Designer

Przypadek posiadania jednej warstwy w pełni dedykowanej do zasilania w układzie 4-warstwowym jest celowo pominięty, ponieważ nie jest to zalecane z punktu widzenia projektowania EMC ze względu na szum napięcia wspólnego trybu, który może powstać, jeśli nie zostanie to wykonane poprawnie. Ten temat wymaga bardziej dogłębnych technicznych rozważań, które zostawimy na inny czas.

Przykład dla układu 6-warstwowego

Układ 6-warstwowy zapewnia większy stopień swobody w przypisywaniu warstw sygnałowych i zasilających.

Rysunek 4 - Przykład układu 6-warstwowego z narzędziem Layer Stack Visualizer w Altium Designer

Dwa bardzo skuteczne układy mogą zapewnić doskonałą wydajność pod względem EMC:

1. Układ warstw 1: Sygnały są prowadzone na warstwach 1 i 6, z płaszczyznami odniesienia dla prądów zwrotnych na warstwach 2 i 5, oraz dodatkowymi warstwami sygnałowymi na warstwach 3 i 4. Ta konfiguracja pozwala warstwom 2 i 5 służyć jako płaszczyzny zwrotne i odniesienia dla wszystkich czterech warstw sygnałowych, zamiast tylko dla dwóch. Jest to możliwe dzięki efektowi naskórkowemu, który pozwala na różne prądy po każdej stronie płaszczyzn bez mieszania się. Efekt naskórkowy polega w zasadzie na tendencji prądu zmiennego (AC) do rozkładania się w przewodniku tak, że gęstość prądu jest największa w pobliżu powierzchni przewodnika, malejąc w kierunku centrum. Zjawisko to występuje, ponieważ zmieniające się pole magnetyczne generowane przez prąd zmienny indukuje prądy wirowe, które przeciwdziałają przepływowi prądu w centrum przewodnika, zmuszając prąd do płynięcia bardziej na peryferiach. W tego typu układzie warstw, sieci zasilające mogą być prowadzone wraz z warstwami sygnałowymi.

2. Układ warstw 2: Sygnały są prowadzone na warstwach 1 i 6, przy czym warstwy 2 i 5 służą jako warstwy odniesienia dla powrotu. W tej konfiguracji, warstwy 3 i 4 używane są jako płaszczyzny zasilania. Ten układ jest bardzo skuteczny, szczególnie gdy wymagana jest większa moc lub sieć dostarczania energii o niskiej impedancji. Zaleca się używanie jednolitych, jednorodnych płaszczyzn zarówno dla warstw odniesienia powrotu, jak i warstw zasilających. Używanie różnych wielokątów na pojedynczej warstwie nie jest zalecane, ponieważ może to generować szum wspólny i prowadzić do emisji promieniowanej, gdy podłączone są kable. Poświęć jedną płaszczyznę na każde napięcie, aby uniknąć tych problemów i poprawić sieć dostarczania energii (PDN) płytki.

Podobnie jak w przypadku układu 4-warstwowego, należy zapewnić wystarczającą odległość między wewnętrznymi warstwami sygnałowymi a zasilającymi, aby uniknąć sprzężenia między nimi, jednocześnie maksymalizując sprzężenie z warstwami odniesienia powrotu. Należy również zaimplementować przelotki łączące, gdy jest to możliwe, między płaszczyznami odniesienia powrotu.

Przykłady prostych wielowarstwowych układów z Altium Designer

Na szczęście, wybór układu PCB staje się łatwiejszy z Altium Designer^®.

Za pomocą zintegrowanego narzędzia Zarządzanie Stosem Warstw możesz tworzyć niestandardowe układy warstw dla swoich PCB lub korzystać z gotowych układów, co znacznie ułatwia pracę projektanta PCB. Narzędzie Zarządzanie Stosem Warstw umożliwia również tworzenie bardziej zaawansowanych typów układów, gdzie możesz także obliczyć charakterystyczną impedancję dla swoich sygnałów bez potrzeby korzystania z kalkulatorów stron trzecich.

To jedna z wielu funkcji Altium Designer^®, która umożliwia płynne i dokładne tworzenie projektów PCB, czyniąc proces projektowania nie tylko łatwiejszym, ale również bardziej przyjemnym.

W następnym artykule zbadamy, jak projektować i optymalizować PCB pod kątem niskiej emisji EMI. Koniecznie śledź nasze strony i media społecznościowe, aby nie przegapić.

W międzyczasie możesz rozpocząć swoją darmową wersję próbną Altium Designer^® + Altium 365^™ już dziś i podnieść swoje projekty PCB na wyższy poziom.