Warstwy zasilania i masy: Czy należy używać warstwy zasilania PCB jako ścieżki powrotnej?

Warstwy zasilające (czasami nazywane warstwą zasilającą) i warstwy masy są ważne nie tylko dla dystrybucji zasilania. Definiując warstwy odniesienia, zarówno przy trasowaniu z kontrolowaną impedancją, jak i zarządzaniu ścieżkami powrotnymi, układ warstw może zmusić prądy powrotne do przejścia do warstwy zasilającej PCB przed ponownym połączeniem z warstwą masy. Nawet jeśli zdefiniujesz warstwę odniesienia GND jako podstawę dla szerokości ścieżki z kontrolowaną impedancją, musisz nadal zdefiniować wyraźną ścieżkę powrotną wzdłuż długości warstwy zasilającej w swoim projekcie. Spójrzmy na kilka dobrych praktyk kontroli ścieżek powrotnych w PCB z warstwą zasilającą jako ścieżką powrotną.

Zachowanie sygnału z warstwą zasilającą PCB jako ścieżką powrotną

Kiedy mówimy o "ścieżce powrotnej", mamy na myśli ścieżkę, którą naturalnie podąża prąd powrotny w projekcie, gdzie prąd może wrócić do terminala o niskim potencjale po stronie wejściowej montażu PCB. Dla sygnału podróżującego po linii transmisyjnej, ścieżka powrotna jest określana przez pojemność między linią a jej warstwą odniesienia. Wyższa pojemność, wyższa częstotliwość, lub oba te czynniki oznaczają, że prąd powrotny może łatwo przejść do warstwy masy jako prąd przesunięcia.

To z kolei oznacza, że odległość między linią transmisyjną a jej płaszczyzną odniesienia, niezależnie od tego, jakiego typu jest ta płaszczyzna odniesienia, determinuje pewne ważne zachowania elektryczne w rzeczywistych projektach. Takie zachowania obejmują:

• Podatność na EMI z zewnętrznych źródeł, która może być odbierana indukcyjnie przez duże pętle prądowe, lub pojemnościowo przez pole elektryczne
• Niespójną impedancję, która pojawi się podczas trasowania między regionami płaszczyzn, nad przerwami lub przy zmiennych szerokościach ścieżek wzdłuż połączenia
• Przesłuch z innych ścieżek, który może łatwiej sprzęgać się indukcyjnie do ścieżki ofiary, jeśli projekt ma
• Straty podczas propagacji, które występują z powodu koncentracji linii pola między linią transmisyjną a pobliską płaszczyzną odniesienia lub innymi przewodnikami

Jeśli możesz wybierać między użyciem płaszczyzny zasilania lub płaszczyzny masy jako przyległej warstwy, która zapewnia ścieżkę powrotną lub odniesienie sygnału, zawsze powinieneś wybrać płaszczyznę masy PCB. Istnieją dwa powody tego, które wyjaśnię bardziej szczegółowo poniżej.

Przenikanie pojemnościowe

Zanim omówimy, jak płaszczyzna zasilania faktycznie funkcjonuje (lub nie) jako jakikolwiek rodzaj ścieżki powrotnej, musimy zadać pytanie: jak prąd z linii transmisyjnej mógłby dostać się do płaszczyzny zasilania PCB na początku. Odpowiedź brzmi: sprzężenie pojemnościowe! Pamiętajmy, jak wspomniano powyżej, ścieżka powrotna jest indukowana między linią transmisyjną a dowolnym pobliskim przewodnikiem. Dla pobliskiej warstwy płaszczyzny, dzieje się to za każdym razem, gdy między linią a płaszczyzną występuje zmieniający się potencjał elektryczny. Dlatego, kiedy mamy ścieżkę prowadzoną obok płaszczyzny, a wzdłuż tej ścieżki przemieszcza się sygnał cyfrowy, mamy teraz prąd przesunięcia napędzany w warstwie płaszczyzny.

Jeśli pobliska płaszczyzna byłaby płaszczyzną masy na tym samym potencjale co nasz punkt niskiego potencjału przy wejściu zasilania, wtedy wszystko byłoby w porządku. Problem w tym, że gdy prąd musi następnie przejść z płaszczyzny zasilania do pobliskiej warstwy masy, prąd będzie musiał przejść przez kolejną warstwę dielektryczną, aby dotrzeć do płaszczyzny masy PCB.

W zależności od tego, jak zaprojektowano układ warstw i miejsce na płytce, w którym indukowany jest sygnał, pojemność między dwoma warstwami może tworzyć bardzo wysoką ścieżkę impedancji między płaszczyzną zasilania a płaszczyzną masy. W zależności od układu warstw, takiego jak prosty układ 4-warstwowy pokazany poniżej, pojemność płaszczyzny między warstwą zasilania a warstwą masy PCB może być bardzo mała (rzędu femtofaradów na mm kwadratowy), tworząc ekstremalnie wysoką ścieżkę powrotną impedancji, z wyjątkiem bardzo szybkich sygnałów cyfrowych lub bardzo wysokich częstotliwości sygnałów RF. Jedyną inną opcją na tej drodze między płaszczyzną zasilania a płaszczyzną masy jest najbliższy kondensator sprzęgający, jak pokazano poniżej. W obu przypadkach, na płytce może wystąpić problem z EMI.

Dla typowo wolniejszych sygnałów jednostronnych (takich jak sygnały I2C czy SPI ograniczone czasem narastania), EMI generowane przez to sprzężenie do GND może nie być największym problemem. To w ogóle nie występuje przy urządzeniach czysto DC lub analogowych niskiej częstotliwości. Jednakże, przy dzisiejszych standardowych komponentach CMOS, nawet jednostronne magistrale w powszechnych komponentach cyfrowych mogą mieć ten problem. Więc jakie jest rozwiązanie?

Odpowiedź znajduje się w przeprojektowaniu układu warstw PCB. Najprostszą drogą naprzód jest dodanie warstw zapewniających powrót do masy. Ogólnie, nie będzie potrzebnych żadnych innych zmian w projekcie, pod warunkiem, że wszystkie płaszczyzny GND są połączone razem za pomocą odpowiednio rozmieszczonych przelotek. Coś, co z perspektywy projektowej jest bardziej czasochłonne, jak w powyższym układzie 4-warstwowym, to umieszczenie PWR i sygnału na tej samej warstwie, a następnie dodanie PWR na tej samej warstwie jako zalanie.

Przykład 4-warstwowy

W przykładowej płytce 4-warstwowej powyżej, układ warstw jest najlepiej wykorzystany, jeśli magistrale i linie, które muszą zapewniać ciągłe strumienie bitów, są umieszczone na górnej warstwie bezpośrednio nad GND. Inne sygnały, takie jak sygnały sterujące, które mogą być spowolnione za pomocą terminacji RC lub szeregowej, mogą być umieszczone na dolnej warstwie, jak również inne komponenty wspierające. Jednakże, jeśli potrzebujesz mieć 4-warstwową PCB z cyfrowymi magistralami na obu warstwach zewnętrznych, wtedy najlepszą praktyką jest użycie alternatywnego układu warstw.

Układ warstw poniżej jest uznawany za najlepszą alternatywę, aby tłumić zakłócenia i zapewnić jasne ścieżki powrotne wszędzie. Jest to układ SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR, gdzie sygnał i zasilanie są prowadzone na górnych warstwach. Zapewnia to bardzo silne sprzężenie zwrotne dla szyn zasilających, ponieważ powinny (lub powinny być) umieszczone blisko płaszczyzny GND na sąsiedniej warstwie.

• Dowiedz się więcej o tej alternatywnej 4-warstwowej konfiguracji

Jest jedna trudność w tej płytce, która może pojawić się, gdy istnieje wiele szyn zasilających. W przypadku, gdy twoja płytka 4-warstwowa musi obsługiwać sygnały wysokiej prędkości na obu warstwach, jak również wiele szyn zasilających i silną integralność zasilania, standardowy układ SIG/GND/PWR/SIG nie będzie działał. Tutaj dodanie dwóch warstw i zbudowanie układu 6-warstwowego jest najlepszą opcją.

Przykład 6-warstwowy

Jak w przypadku większości problemów z trasowaniem i układem, które następnie generują problemy z EMI, źródło problemu zazwyczaj tkwi w definiowaniu masy lub niewłaściwym układzie warstw w stosie PCB. Chociaż można użyć płaszczyzny zasilania jako odniesienia do impedancji i ścieżki powrotnej dla sygnałów, konieczne jest umieszczenie pobliskiej płaszczyzny masy PCB, aby zapobiec sprzężeniu między warstwami w pokazanym poniżej typie stosu warstw.

Jednym z układów stosowanych czasami w bardziej zagęszczonych projektach jest pokazany poniżej stos 6-warstwowy. Górna i dolna warstwa sygnałowa są bezpośrednio sprzężone z masą, jednak nadal mamy płaszczyznę zasilania (na niebiesko na L3), która może mieć wysoką pojemność płaszczyzny do masy na L2, w zależności od grubości warstw.

• Dowiedz się więcej o wytycznych stosu 6-warstwowego

Alternatywny układ warstw który nie jest idealny przy szybkim trasowaniu na wewnętrznej warstwie, to mieć dwie przyległe warstwy sygnałowe i zasilanie na L2. Mogłoby to pozwolić na wewnętrzne sprzężenie zwrotne i stwarzać problemy z powrotem prądu do masy, jeśli sygnały nie są podzielone na różne regiony w PCB. Lepszym rozwiązaniem byłoby użycie pokazanej powyżej płyty 6-warstwowej.

Co z bezpośrednim sprzęganiem do ścieżek? Zazwyczaj pojemność pasożytnicza między sąsiednimi warstwami może być dość mała ze względu na małe wymiary ścieżek sygnałowych, tworząc w ten sposób dość wysoką impedancję ścieżki zwrotnej między jakimkolwiek prądem zwrotnym w warstwie zasilającej na L3 a warstwą masową na L5. Normalnym sposobem zapewnienia niskiej impedancji ścieżki zwrotnej między jakimkolwiek prądem zwrotnym w warstwie zasilającej a warstwą masową jest umieszczenie kondensatora sprzęgającego/omijającego między warstwami zasilania/masy. W powyższym przykładzie, preferowaną ścieżką o niskiej impedancji dla jakiegokolwiek indukowanego prądu zwrotnego w warstwie zasilającej jest bezpośrednio do masy na L2, a nie na L5.

Podsumowanie: Projektuj Ścieżkę Zwrotną

Czy pozwolisz sygnałom na sprzężenie z powrotem do płaszczyzny zasilania, a następnie przez sprzężenie pojemnościowe do najbliższej płaszczyzny masy PCB, czy też bezpośrednio do płaszczyzny masy, będziesz musiał starannie zaprojektować ścieżkę powrotną, aby zapobiec niepożądanemu sprzężeniu między jakimkolwiek sygnałem powrotnym. Ważnym punktem tutaj jest to, że każdy obwód na twojej płytce jest kompletny, gdy łączy się z powrotem z płaszczyzną masy PCB, niezależnie od tego, czy to sprzężenie jest bezpośrednie, przez kondensatory odsprzęgające/bypassujące, czy dzięki pojemności międzywarstwowej. Dlatego właśnie, we współczesnych PCB, zawsze mówimy, aby prowadzić trasę obok płaszczyzny masy: pozwala to na wysłanie ścieżki powrotnej bezpośrednio do płaszczyzny masy bez użycia kondensatorów bypassujących, przelotek z wlewką miedzi lub innych środków, które nie rozwiązują problemów stworzonych przez złą konfigurację warstw.

Podczas gdy technicznie można wykorzystać płaszczyznę zasilania jako warstwę ekranującą i płaszczyznę odniesienia PCB (zakładając, że różnica potencjałów między ścieżką sygnałową a płaszczyzną zasilania nie wynosi 0 V), kontrolowanie ścieżki powrotnej staje się ogólnie trudne. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku płyt o wysokiej prędkości/częstotliwości. W bardziej zaawansowanych projektach, które działają na niskim poziomie sygnałów, możesz używać par różnicowych, w których przypadku ścieżka powrotna jest zapewniona przez napęd różnicowy, tj. płynie równolegle do wysokiej ścieżki sygnałowej. Jeśli jesteś zainteresowany dowiedzeniem się więcej o śledzeniu ścieżki powrotnej na twojej płytce, zapoznaj się z tym artykułem Francesco Poderico.

Najnowsze narzędzia do układania i trasowania PCB w Altium Designer^® obejmują narzędzie do ścieżki powrotnej masy, które współpracuje z silnikiem DRC. Pozwala to na zdefiniowanie limitów odchylenia między ścieżką a jej najbliższą płaszczyzną odniesienia PCB jako regułę projektową. Ta reguła jest automatycznie sprawdzana przez interaktywne narzędzia trasowania podczas tworzenia twojej płytki. 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 z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej o Twoich warstwach zasilania i ogólnie o PCB z warstwami zasilającymi.