Projetando um Empilhamento de 6 Camadas para PCB para Melhoria da EMC

PCBs de 6 camadas são uma opção econômica e popular para uma variedade de aplicações com alta contagem de redes e tamanho pequeno. Placas maiores podem funcionar bem com um empilhamento de 4 camadas, onde camadas de sinal podem ser sacrificadas para garantir isolamento entre cada lado da placa. Com o empilhamento correto de 6 camadas, você pode suprimir a EMI entre as diferentes camadas e acomodar componentes de passo fino com alta contagem de redes. No entanto, há casos em que faz mais sentido usar um empilhamento de 4 ou 8 camadas, e ajuda entender a função das camadas de plano na placa para fazer esse julgamento.

Quantas Camadas de Alimentação, Terra e Sinal Eu Preciso?

A resposta para esta pergunta é extremamente importante e realmente depende da aplicação da sua placa. Se você está projetando uma placa densa com espaço limitado, mas tudo é de baixa velocidade ou DC, você pode se sair bem apenas com duas camadas de plano e quatro camadas de sinal. No entanto, nesse caso, você pode muitas vezes reduzir a contagem de camadas para 4 camadas com um layout e roteamento criativos.

Se você precisa reduzir significativamente a suscetibilidade a EMI, um empilhamento alternativo é usado, e você deve optar por mais camadas de alimentação/terra e menos camadas de sinal. Se esta for uma placa digital ou de sinal misto, o posicionamento do sinal em relação às camadas de plano, e um par de planos de alimentação/terra bem próximos, dará a você a flexibilidade necessária para rotear em qualquer lugar na placa sem criar um problema de EMI. A adição de mais terra ao redor da placa também pode ter um efeito de blindagem significativo sem a necessidade de uma solução inelegante como latas de blindagem.

Se você vai misturar sinais digitais e analógicos, misturar sinais de alta e baixa frequência, ou uma combinação de todos esses, você ainda pode fazer um uso criativo de um empilhamento de PCB de 6 camadas. Em algum momento, você pode precisar optar por uma placa maior ou mais camadas no seu empilhamento (ou ambos!). Existem muitas combinações de camadas de sinal/plano para empilhamentos de PCB de 6 camadas, mas algumas comuns serão mostradas abaixo.

Exemplos de Empilhamento de PCB de 6 Camadas

Com isso em mente, vamos mergulhar em alguns exemplos de empilhamento de PCB de 6 camadas:

Sinal+PWR/GND/2 Camadas de Sinal/GND/Sinal+PWR

Este exemplo de empilhamento de PCB de 6 camadas é uma opção popular de nível inicial que proporciona blindagem para trilhas de baixa velocidade na camada interna contra trilhas nas camadas externas. Há também um acoplamento apertado a planos sólidos. Você pode rotear sinais com frequências mais baixas/velocidades de comutação mais lentas ou através de uma camada interna, desde que sejam ortogonais. Eu rotearia sinais digitais e/ou analógicos de maior velocidade nas camadas externas para blindá-los uns dos outros e das trilhas de menor velocidade/frequência nas camadas internas. Um exemplo é mostrado abaixo.

Neste caso, eu não misturaria analógico e digital nas camadas internas, a menos que você possa separá-los em diferentes regiões da placa. No entanto, nesse tipo de situação em que você precisa de separação entre as seções digital e analógica, você provavelmente pode se virar com um empilhamento de 4 camadas com planos internos e um layout/roteamento criativo, ou você pode usar o arranjo preferido SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR em 4 camadas (veja aqui para diretrizes).

Neste tipo de empilhamento, não faça da camada 2 uma camada de plano de alimentação, e não tente fazer pares acoplados em paralelo em L3+L4. Em vez disso, você estará roteando PWR em uma camada de sinal. O principal problema com isso é a falta de capacitância interplano entre as camadas de plano de alimentação e terra e o caminho de retorno de alta indutância de L1 para L5. Como essas camadas de plano estão separadas, serão necessários mais decaps e vias de retorno à terra para compensar os caminhos de retorno imprevisíveis para sinais em L1. Por essa razão, essas placas provavelmente só devem ser usadas com sistemas de alimentação ou DC que não necessitam de previsão e rastreamento precisos do caminho de retorno.

Sinal/Terra/PWR/Terra/Sinal/Terra

Este exemplo de empilhamento de 6 camadas de PCB é um bom empilhamento assimétrico para placas que precisam fornecer muita desacoplagem para sinais de alta velocidade, mas onde a densidade não é tão alta a ponto de precisar de 3 camadas de sinais. Um exemplo é uma mistura de sinais de alta velocidade (L1) e baixa velocidade (L5), pois estes serão isolados um do outro, e o par de planos PWR+GND espaçados de perto fornecerá alta desacoplagem para suportar integridade de energia de alta velocidade. A camada de sinal interna será protegida da camada de sinal da superfície, pois está encapsulada entre dois planos de terra. Também é útil para suprimir a EMI de interferir com a camada de sinal interna, pois os condutores sólidos fornecem blindagem eficaz. Os planos de energia e terra provavelmente serão espaçados de perto para fornecer desacoplagem eficaz para dispositivos digitais de alta velocidade.

O principal problema com essa configuração de camadas é que ela só permite a colocação fácil de componentes na camada superior, a menos que você comece a cortar o terra da camada inferior para fazer espaço para os componentes, então você está basicamente construindo apenas uma placa de 1 lado. Isso é uma proposição cara para a fabricação, pois requer muita perfuração para colocar vias até a camada de sinal interna. Isso destaca as vantagens de uma configuração de PCB de 4 camadas ou 8 camadas. Com uma configuração de 8 camadas, você pode criar um arranjo semelhante de adjacente de energia/terra nas camadas internas enquanto também acomoda roteamento interno e componentes/roteamento na camada inferior.

Sinal/Terra/Energia/Sinal/Terra/Sinal

Esta é uma variação da placa anterior que fornece uma camada de sinal adicional. Este é um bom ponto de partida se você está trabalhando com um sistema digital de contagem moderada de I/O que requer controle de impedância nas camadas externas. Por exemplo, usamos esta configuração em switches de rede e placas de sinal misto operando em taxas de dados de Gbps ou superiores. A desvantagem é a menor desacoplamento entre PWR e GND comparado à configuração anterior. O baixo acoplamento PWR/GND é compensado com bancos de decoupling. L4 pode então ser usado com sinais de menor velocidade que são referenciados a PWR, o que terá então um acoplamento direto de volta para GND em L2.

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

Se sua placa for implantada em um ambiente eletricamente ruidoso, ou se for colocada perto de uma fonte de radiação forte, este empilhamento oferece excelente supressão de EMI. Com a adição de vias de costura cuidadosamente espaçadas, você pode fornecer blindagem até algumas altas frequências (geralmente bem na faixa de GHz). A desvantagem é que existem apenas duas camadas de sinal, então o espaço na placa para roteamento de sinais será limitado. Você também estará cortando o plano PWR com vias ao rotear entre as camadas de sinal ou para as camadas superficiais. Dito isso, colocar as camadas de sinal entre planos condutores empilhados é uma boa escolha do ponto de vista de EMC.

Este empilhamento de camadas oferece outro benefício não tão óbvio: melhor gerenciamento térmico. Embora essas placas não sejam destinadas a sistemas de potência com altas correntes, os condutores em cada lado de uma camada de sinal e nas camadas internas podem ajudar a transportar calor para as bordas e superfícies da placa, onde então pode ser dissipado com resfriamento passivo ou ativo. Você não terá o mesmo nível de dissipação de calor que teria com uma placa de núcleo metálico ou cerâmica, mas você tem as vantagens de múltiplos planos para blindagem para auxiliar na supressão de EMI.

Uma Nota sobre o Roteamento Entre Múltiplas Camadas

Frequentemente falamos sobre rotear vias através de múltiplas camadas, mas fazer isso pode criar uma descontinuidade no caminho de retorno que aumenta a área do loop para o circuito. Neste caso, a capacitância parasita entre as camadas terá que fornecer alguma descarga que induz uma corrente de retorno perto da via de sinal. Infelizmente, a capacitância é geralmente muito pequena para fornecer um caminho de retorno de baixa impedância confiável. Por essa razão, o caminho de retorno aparecerá no capacitor de desacoplamento mais próximo, ou nas vias que você usa para conectar as regiões de terra em múltiplas camadas, todos os quais podem estar longe da via de sinal. O resultado é um caminho de retorno muito grande com grande indutância de loop, e isso criará um novo problema de EMC que você terá que resolver.

Como resultado, existem duas opções comuns que são citadas como maneiras de eliminar a EMI dessa falta de um caminho de retorno:

1. Coloque um capacitor de desacoplamento em paralelo com o via de sinal para fornecer o caminho de retorno
2. Coloque um via aterrado ou um par de vias aterrados em paralelo com o via de sinal para fornecer o caminho de retorno

Na minha opinião, a melhor opção é colocar um ou dois vias aterrados correndo ao lado do via de sinal, desde que os dois planos de referência estejam no mesmo potencial. Isso fornece um caminho de retorno com baixa indutância e sem quebrar o acoplamento aos planos de referência. A necessidade de fornecer um caminho de retorno é uma razão pela qual um designer pode simplesmente preencher todo o layout com vias de costura aterradas uma vez que o layout esteja concluído.Se você fizer isso com vias de costura, certifique-se de ler este artigo.

Para ver alguns outros casos de uso envolvendo empilhamentos de 6 camadas para fornecer supressão de EMI, especificamente em produtos IoT, dê uma olhada na recente apresentação de Ken Wyatt no AltiumLive 2022.

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