Jak zrozumieć płaszczyzny masy w dwuwarstwowych płytkach drukowanych

Kiedy byłem młodym i głodującym studentem, zaprojektowałem moją pierwszą płaszczyznę masy płytki PCB. Służyła ona do zbierania sygnałów analogowych z kilku czujników. Na wykresie napięcia moich pomiarów były tak okropne zakłócenia, że sygnał, który chciałem zmierzyć, zupełnie w nich ginął. Szybko zorientowałem się, że kompletnie skopałem moje połączenia z płaszczyzną masy i to pętle zwarcia doziemnego zakłócały moje sygnały.

Umieszczenie płaszczyzny masy i trasowanie połączeń z masą jest jednym z najważniejszych kroków w projektowaniu płytek PCB z dwiema lub więcej warstwami. Poprawne wykonanie tego kroku pomaga w ograniczeniu występowania interferencji elektromagnetycznej, przesłuchu i pętli zwarcia doziemnego. Te źródła zakłóceń pogarszają integralność sygnału, więc aby zapewnić maksymalną wydajność urządzenia, należy stosować właściwe techniki projektowania płaszczyzny masy.

Czy moja dwuwarstwowa płytka PCB potrzebuje płaszczyzny masy?

Jeżeli dopiero uczysz się projektować płytki drukowane, Twoja pierwsza płytka prawdopodobnie będzie miała dwie warstwy, ponieważ praca z takimi płytkami jest najprostsza z punktu widzenia ich układu i integralności sygnału. Będziesz mieć jednak do dyspozycji ograniczoną powierzchnię ze względu na brak możliwości trasowania w warstwach wewnętrznych. Jest to pierwsza sprawa do rozważenia przy podejmowaniu decyzji, czy i gdzie umieścić płaszczyznę masy na płytce. Większość projektantów obwodów drukowanych to zwolennicy używania płaszczyzny masy. Jest to zdecydowanie najlepszy wybór, gdy pracujemy z sygnałami o wysokiej szybkości i częstotliwości. Z perspektywy kompatybilności elektromagnetycznej, umieszczenie płaszczyzny masy na jednej warstwie płytki zapewni pewien poziom ochrony przed interferencją elektromagnetyczną pochodzącą ze źródeł zewnętrznych.

Użycie płaszczyzny masy w dwuwarstwowej płytce PCB jest także lepsze niż zwykłe poprowadzenie ścieżek do masy. Trasowanie ścieżek powrotnych wzdłuż przewodzących jest jedną ze strategii zmniejszania wrażliwości na interferencję w układach wielopłytkowych, gdy sygnały o wysokiej prędkości/częstotliwości są poprowadzone pomiędzy płytkami za pomocą kabla. Umieszczenie powrotnej ścieżki do masy maksymalnie blisko ścieżki sygnałowej sprawia, że sygnał powrotny płynie wzdłuż ścieżki, co minimalizuje indukcyjność pętli i jej podatność na interferencję.

Na prawie każdej płytce posiadającej wiele komponentów nie będzie wystarczająco dużo miejsca, aby poprowadzić wszystkie ścieżki powrotne przy sygnałowych. Umieszczenie płaszczyzny masy na dolnej warstwie dwuwarstwowej płytki PCB daje ten sam efekt. Lokalizacja płaszczyzny pod ścieżkami sygnałowymi zmniejsza powierzchnię pętli dostępną dla sygnałów. W idealnym przypadku ścieżki powinny być rozplanowane jak najbliżej płaszczyzny masy, aby ograniczyć przesłuchy pomiędzy sąsiednimi ścieżkami, co może wymagać użycia cieńszej płytki.

Umieszczenie płaszczyzny masy pod odpowiednimi komponentami i ścieżkami sygnałowymi pozwala również na poprowadzenie połączeń bezpośrednio z komponentów do płaszczyzny masy za pomocą przelotek. Sygnał powrotny będzie wtedy podążał drogą najmniejszej impedancji aż do powrotu do źródła zasilania. Umożliwia to również łatwe dodanie kondensatorów obejściowych/odsprzęgających pomiędzy połączeniami zasilającymi kluczowych komponentów i płaszczyzną masy, co zapobiega przenikaniu do tych komponentów jakichkolwiek znacznych wahań częstotliwości (np. interferencji elektromagnetycznej włączonego zasilacza).

^{Właściwe techniki trasowania i połączenia z masą zapobiegają interferencji elektromagnetycznej.}

Siatkowanie z płaszczyzną masy podzieloną na części

Zamiast umieszczać ciągłą płaszczyznę masy na całej dolnej warstwie dwuwarstwowej płytki PCB, można użyć techniki zwanej siatkowaniem (gridding). Ścieżki zasilania i masy są prowadzone różnicowo, naśladując parę przewodów elektrycznych. Każda ścieżka masy może być poszerzona tak, aby wypełniała jak największą możliwą część pustej przestrzeni na płytce, a pozostałe puste miejsce może być wypełnione płaszczyzną masy. Ta technika pozwala na opracowanie płytki dwuwarstwowej o poziomie redukcji zakłóceń typowym dla płytek czterowarstwowych.

Innym rozwiązaniem jest użycie prostopadłych do siebie układów siatki na obu warstwach i połączenie ich przelotkami w punktach, gdzie się przecinają. To zapewnia, że wszystkie sekcje siatki będą zachowywały prawie ten sam potencjał i daje dodatkowe miejsce na komponenty na obu warstwach. Potencjalnym problemem w takim układzie jest trasowanie pomiędzy siatkami (gridami) na pojedynczej warstwie. W takim przypadku ścieżka uziemiona może być poprowadzona obok ścieżki sygnałowej, gdzie ścieżka masy jest połączona przelotkami z częściami płaszczyzny masy na przeciwnej warstwie płytki.

Tak jak wiele innych decyzji projektowych, siatkowanie jest kompromisem: uzyskujesz więcej przestrzeni na płytce i dzięki kreatywnemu trasowaniu możesz tworzyć pętle prądowe o niskiej indukcyjności, ale za to tracisz część ochrony przed interferencją elektromagnetyczną zapewnianą przez ciągłą płaszczyznę masy. Przelotki wymagane przy siatkowaniu działają też jak indukcyjne przerwy w impedancji, co powoduje problemy z integralnością sygnałów o wysokiej prędkości. Siatkowanie może także doprowadzić do powstania pętli przewodzącej wokół komponentów, a emitowana interferencja elektromagnetyczna może wzbudzać prąd w tej pętli przewodzącej. Lepszym rozwiązaniem jest umieszczanie komponentów na jednej warstwie nad płaszczyzną masy na drugiej warstwie.

Podsumowując: zachowaj ostrożność przy procesie siatkowania. Niektóre wytyczne dotyczące projektowania zalecają siatkowanie płytki dwuwarstwowej jako alternatywę dla użycia ciągłej płaszczyzny masy na jednej z warstw. To może być dobre rozwiązanie dla sygnałów o niskiej prędkości lub częstotliwości albo dla płytek zasilanych prądem stałym z odpowiednim ekranowaniem od podstawy montażowej. Jednak w przypadku obwodów o wysokiej prędkości lub częstotliwości i bez ekranowania, albo w otoczeniu silnych interferencji elektromagnetycznych, poświęcenie części powierzchni płytki na ciągłą płaszczyznę masy na dolnej warstwie może okazać się lepszym pomysłem. 

Sygnały analogowo-cyfrowe? Podziel płaszczyznę masy na części

Niektóre proste dwuwarstwowe płytki PCB mogą wymagać połączenia sygnałów cyfrowych i analogowych na jednej płytce. Najlepszym rozwiązaniem jest podział płaszczyzny masy na tylnej warstwie na część cyfrową i część analogową, przy jednoczesnym pozostawieniu połączenia między tymi płaszczyznami w pobliżu źródła zasilania. Gwarantuje to, że prądy powrotne sygnałów cyfrowych nie będą płynąć pod czułymi komponentami analogowymi.

Części płaszczyzny masy dwuwarstwowej analogowo-cyfrowej płytki PCB mogą być rozdzielone wycięciem, ale nie powinno się prowadzić nad nim żadnych ścieżek, bo będą one tworzyć bardzo dużą pętlę dla prądów powrotnych w płaszczyźnie masy. Takie ścieżki będą mocno promieniowały i pętla obwodu będzie miała większą indukcyjność, przez co będzie bardziej podatna na interferencje elektromagnetyczne. Złym pomysłem jest całkowite rozdzielanie płaszczyzny masy na części, a następnie próbowanie osiągnięcia w nich takiego samego potencjału za pomocą np. koralików ferrytowych, ponieważ stwarza to więcej problemów z zaburzeniami i interferencją, niż na dobrą sprawę rozwiązuje.

Program Altium Designer^® zawiera wiele różnych narzędzi, które będą pomocne przy wdrażaniu wszystkich powyższych sugestii. Prowadzenie ścieżek i analiza dystrybucji zasilania to teraz łatwizna dzięki narzędziom ActiveRoute^® i PDN Analyzer^™. Aby dowiedzieć się więcej, porozmawiaj z ekspertem z firmy Altium lub już dzisiaj rozpocznij korzystanie z darmowej wersji próbnej.

Wypróbuj program Altium w działaniu...

Skuteczne projektowanie płytek PCB