Siga o Caminho de Retorno à Terra Multicamada para Prevenir EMI

Seguir o caminho de volta para o terra pode rapidamente se tornar complexo em uma PCB multilayer complicada. Quando sua PCB tem um pequeno número de camadas (por exemplo, uma placa de 4 camadas com duas camadas de plano), torna-se relativamente fácil determinar o caminho de retorno e projetá-lo deliberadamente para prevenir a EMI. A situação se torna mais complicada quando você está trabalhando com um número maior de camadas. Múltiplas camadas de plano e condutores podem formar o caminho de retorno para o terra, mesmo que o condutor não esteja aterrado. É aqui que ajuda distinguir entre planos de terra e planos de referência, pois ambos podem fazer parte do caminho de retorno em sua PCB.

Caminho de Retorno ao Terra vs. Planos de Referência

Os planos de referência são uma parte inerente do caminho de transmissão de sinal. Se eles são colocados intencionalmente em sua placa, como um plano de terra para trilhas de sinal, ou um plano de referência não intencional que fica próximo às trilhas de sinal, pode ser difícil determinar se você não acompanhar cuidadosamente a localização das trilhas de sinal ao longo de sua placa. O caminho de retorno ao terra para um sinal pode não fluir realmente através do terra; ele poderia passar pelo chassis, um plano de energia, ou algum outro condutor aterrado.

Não importa por onde o caminho de retorno percorra em sua placa, ele sempre tentará voltar ao ponto de baixo potencial na placa, ou seja, o ponto de retorno à terra de volta à fonte de alimentação. Seja o sinal de retorno induzido em seu chassis, plano de alimentação ou outro condutor, ele será atraído de volta à terra devido à diferença de potencial entre seu condutor de terra e um condutor mantido em potencial mais alto.

Além de ser uma característica do ressoar enquanto um sinal se propaga, o caminho de retorno de um sinal determina o seguinte comportamento:

• Susceptibilidade a EMI. A indutância de laço criada por um caminho de retorno determina a susceptibilidade de um circuito a EMI. Um circuito com um grande laço de corrente terá uma indutância parasitária maior, tornando-o mais suscetível a EMI irradiada. A indutância do laço é menor quando o laço é mais apertado. Esta é uma das razões pelas quais trilhas de sinal de alta velocidade devem ser roteadas próximas a um plano de referência em uma camada adjacente.

• Interferência em placas de sinal misto. A capacitância parasita entre um condutor portador de sinal e seu condutor de referência mais próximo, bem como o laço criado pelo circuito, determinam a reatância vista por um sinal de comutação. Como a reatância é uma função do conteúdo de frequência no seu sinal, o caminho de retorno do sinal torna-se mais difícil de prever em frequências moderadas. Leia este guia para aprender mais sobre o design de um caminho de retorno de sinal misto para uma camada de plano único.

• Caminho de ruído de modo comum. O ruído de modo comum, uma vez induzido em um determinado traço, tentará seguir o mesmo caminho que o seu sinal de volta ao terra. O exato caminho de retorno ao terra seguido pelo ruído de modo comum depende do seu conteúdo de frequência, pois isso determina a reatância vista pelo sinal.

A situação torna-se mais complicada quando estamos roteando em uma empilhamento multilayer com múltiplas camadas de plano pois o condutor de referência pode mudar ao longo do caminho do sinal. As principais quantidades que determinam o plano de referência inicial são a capacitância parasita entre o traço de sinal e o condutor próximo e a indutância do circuito. Note que a impedância parasita não é localizada apenas aos condutores adjacentes graças à indutância, o que pode criar um caminho de retorno ao terra complicado em uma placa multilayer.

Você consegue rastrear o caminho de retorno à terra para esses traços?

Retornando a um Caminho de Retorno à Terra Sólido

Se você leu o que escrevi acima e ainda está se perguntando o que acontece com a corrente de retorno em uma PCB complexa, provavelmente está se perguntando: o que acontece quando a corrente é acoplada a um plano de terra ou outro condutor aterrado? Por que isso aconteceria em primeiro lugar? Ambas são perguntas válidas.

Parasitas Entre Condutores Adjacentes

Vamos abordar a segunda pergunta primeiro, pois ajuda a explicar a resposta à primeira pergunta. O local onde o caminho de retorno é introduzido depende da capacitância entre o traço de sinal e os condutores adjacentes, bem como da autoindutância para o circuito formado pelo traço de sinal e o condutor em questão. Juntas, essas quantidades determinam a impedância vista pelo sinal.

O caminho com a menor impedância (note, que esse caminho pode passar pelo substrato ou pelo ar!) é a direção que a corrente de retorno segue. Acontece que o caminho que apresenta a menor impedância (ou seja, acoplamento mais forte) entre o traço de sinal e o condutor candidato tende a ser o condutor mais próximo, pois esse caminho geralmente fornece a maior capacitância e a menor indutância.

Planos de Potência como um Caminho de Retorno à Terra

Isso explica por que um plano de potência pode atuar como um condutor de referência se estiver mais próximo de um determinado traço de sinal do que o plano de terra mais próximo. A impedância capacitiva/indutiva entre o plano de potência e o traço de sinal pode ser muito maior do que esses valores entre o traço e seu plano de terra mais próximo. A história que contamos aqui descreve efetivamente como um sinal pode mudar de planos de referência à medida que atravessa mais de uma camada em uma PCB multicamadas.

Exemplo de caminho de retorno para um sinal que atravessa um plano de potência em uma PCB multicamadas.

Agora, para uma terceira questão: como um sinal de retorno acoplado a um plano de potência volta para um caminho de retorno aterrado? O plano de potência e a camada do plano de terra terão alguma capacitância interplana, que permite que a corrente de retorno se acople de volta ao plano de terra. No caso em que capacitores de desacoplamento são conectados entre um porto de potência e o plano de terra, eles também contribuirão com alguma impedância capacitiva e indutiva para um sinal de retorno induzido no plano de potência.

O designer astuto deve perceber que, em geral, você não deve rotear sobre um plano de alimentação a menos que possa garantir um acoplamento de baixa impedância de volta ao GND para o caminho de retorno, particularmente em placas de alta velocidade/frequência. Você deve sempre projetar sua placa tendo em mente o caminho de retorno para reduzir a EMI. Tipicamente, o caminho de retorno ao rotear sobre um plano PWR seria fornecido por decaps próximos, quaisquer vias que conectem regiões de terra, ou como corrente de deslocamento acoplada capacitivamente do plano PWR para o plano GND. O perigo aqui é que o caminho de retorno é difícil ou impossível de rastrear através da placa, especialmente em empilhamentos de 4 camadas, o que criará uma forte fonte de EMI devido à criação de um grande laço de corrente e/ou caminho de retorno de alta impedância.

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