Dominando o Controle de EMI no Design de PCB: Como Escolher o Empilhamento para o Design de EMC

Um dos conceitos mais importantes para dominar ao projetar PCBs que se destacam em termos de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) é a escolha do empilhamento de camadas da PCB.

Figura 1 - Ferramenta de Gerenciamento de Empilhamento de Camadas no Altium Designer

Isso se torna um dos aspectos mais significativos, pois está intimamente relacionado à contenção dos campos eletromagnéticos no nosso projeto de PCB.

Neste terceiro artigo da série Dominando o Controle de EMI em Design de PCB, vamos explorar esses conceitos mais a fundo, e também vamos dar uma olhada em outros conceitos importantes de EMC.

Para que um sinal se propague em um circuito, são necessários dois condutores para formar um laço de corrente completo. Um condutor transporta o sinal, e o outro fornece o caminho de retorno, garantindo que a corrente possa fluir e o sinal possa ser transmitido efetivamente. Um dos condutores chamamos de condutor de sinal, e o outro chamamos de retorno de sinal e condutor de referência. O condutor de referência de retorno é assim chamado porque sua função é fornecer não apenas a referência (ou zero volt) para o sinal, mas também porque ele tem que fornecer o caminho de menor impedância para a corrente do sinal retornar à fonte que o originou. Para alcançar o caminho de menor impedância, a melhor configuração seria escolher um plano, em vez de um traço, e este plano não deve ter divisões, cortes ou outras segmentações que possam criar descontinuidades de impedância para os sinais.

A partir deste conceito básico, podemos ver que para cada camada onde temos um sinal, precisamos ter o segundo condutor, o plano de referência de retorno, que fornece o caminho de retorno e referência. Seguindo essa regra simples, podemos então decidir como projetar nossos empilhamentos, simplesmente combinando cada camada de sinal com o Plano de Referência de Retorno (RRP) adjacente.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

A seguir estão alguns exemplos de empilhamentos que minimizam a interferência eletromagnética.

Exemplo de empilhamento de 2 camadas

Para um empilhamento de 2 camadas, podemos ter uma configuração onde uma camada é dedicada aos sinais e trilhas de alimentação, enquanto a segunda camada é um plano de retorno sólido de referência.

Figura 2 - Exemplo de um empilhamento de 2 camadas com a ferramenta Layer Stack Visualizer no Altium Designer

O plano não deve ter divisões ou outras grandes lacunas. Isso também é importante para evitar o roteamento de sinais sobre lacunas, o que pode criar descontinuidades de impedância e aumentar os caminhos do loop de corrente, aumentando finalmente as emissões irradiadas. Se tivermos trilhas que precisam cruzar de uma camada para outra, queremos garantir que a travessia seja o mais curta possível e não seja feita sob outras trilhas de sinal.

Exemplo para um empilhamento de 4 camadas

A mesma abordagem pode ser usada para um empilhamento de 4 camadas. Este empilhamento é adequado quando a densidade de componentes e trilhas aumenta e uma segunda camada é necessária para o roteamento de trilhas de sinal. Embora um empilhamento de 3 camadas possa alcançar uma configuração semelhante, geralmente não é a melhor opção para fins de fabricação, pois os fabricantes geralmente oferecem empilhamentos de camadas em pares.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Para uma montagem de 4 camadas, existem duas configurações eficientes:

1. A primeira configuração tem os planos de referência de retorno como planos embutidos na montagem. Isso significa que a camada 1 e a camada 4 serão os planos de sinal, enquanto as camadas 2 e 3 fornecerão o retorno e a referência para os sinais nas camadas 1 e 4, respectivamente.

2. A segunda configuração tem os planos de referência de retorno nas camadas 1 e 4, que atuam como uma espécie de escudo para o circuito, enquanto as camadas de sinal estão nas camadas 2 e 3, embutidas na montagem. Nesta configuração, queremos aumentar o espaço entre as camadas 2 e 3 para que os campos de ambos os sinais não interfiram um com o outro. Em vez disso, cada camada de sinal se acopla com os planos de referência de retorno.

Em ambas as configurações, vias de costura também devem ser implementadas entre os planos de referência de retorno. Os principais propósitos disso são:

• Criar uma espécie de escudo de Faraday para reduzir emissões e interferências externas;

• Manter os planos o mais equipotenciais possível e reduzir as tensões de modo comum;

• Fornecer o retorno e a referência para sinais que transitam verticalmente de uma camada para outra.

Neste caso, a alimentação também será roteada nas camadas de sinal.

Figura 3 - Exemplo de um empilhamento de 4 camadas com a ferramenta Layer Stack Visualizer no Altium Designer

A situação de ter uma camada totalmente dedicada à alimentação em um empilhamento de 4 camadas é intencionalmente deixada de fora, pois isso não é recomendado para fins de design EMC devido ao ruído de tensão em modo comum que pode criar se não for executado corretamente. Este tópico requer mais tecnicidades, que deixaremos para outra ocasião.

Exemplo para um empilhamento de 6 camadas

O empilhamento de 6 camadas oferece um grau maior de liberdade na forma como atribuímos as camadas de sinal e alimentação.

Figura 4 - Exemplo de um empilhamento de 6 camadas com a ferramenta Layer Stack Visualizer no Altium Designer

Dois empilhamentos muito eficazes podem fornecer excelente desempenho em termos de EMC:

1. Empilhamento 1: Os sinais são roteados nas camadas 1 e 6, com planos de referência de retorno nas camadas 2 e 5, e camadas de sinal adicionais nas camadas 3 e 4. Esta configuração permite que as camadas 2 e 5 sirvam como planos de retorno e referência para todas as quatro camadas de sinal, em vez de apenas duas. Isso é possível devido ao efeito pelicular, que permite correntes diferentes em cada lado dos planos sem mistura. O efeito pelicular é essencialmente a tendência de uma corrente alternada (AC) distribuir-se dentro de um condutor de modo que a densidade de corrente seja maior perto da superfície do condutor, diminuindo em direção ao centro. Esse fenômeno ocorre porque o campo magnético variável gerado pela AC induz correntes parasitas que se opõem ao fluxo de corrente no centro do condutor, forçando a corrente a fluir mais na periferia. Neste tipo de empilhamento, as redes de alimentação podem ser roteadas junto com as camadas de sinal.

2. Empilhamento 2: Os sinais são roteados nas camadas 1 e 6, com as camadas 2 e 5 atuando como camadas de referência de retorno. Nesta configuração, as camadas 3 e 4 são utilizadas como planos de alimentação. Este empilhamento é altamente eficaz, especialmente quando mais energia é necessária ou uma rede de entrega de energia de baixa impedância é necessária. É recomendado usar planos sólidos e homogêneos tanto para as camadas de referência de retorno quanto para as camadas de alimentação. Usar diferentes polígonos em uma única camada não é aconselhável, pois isso pode gerar ruído de modo comum e resultar em emissões irradiadas quando cabos são conectados. Dedique um plano por tensão para evitar esses problemas e melhorar a rede de entrega de energia (PDN) da placa.

Assim como no empilhamento de 4 camadas, garanta que há distância suficiente entre as camadas internas de sinal e de alimentação para evitar acoplamento entre elas, maximizando o acoplamento com as camadas de referência de retorno. Além disso, a implementação de vias de costura entre os planos de referência de retorno deve ser realizada quando possível.

Exemplos de Empilhamentos Multicamadas Simples com Altium Designer

Felizmente, escolher o empilhamento da PCB se torna mais fácil com Altium Designer^®.

Com a ferramenta integrada Gerenciador de Empilhamento de Camadas, você pode criar empilhamentos personalizados para suas PCBs ou usar empilhamentos predefinidos, facilitando muito o trabalho do projetista de PCB. A ferramenta Gerenciador de Empilhamento de Camadas também permite que você crie tipos mais avançados de empilhamentos, onde você também pode calcular a impedância característica para seus sinais sem a necessidade de calculadoras de terceiros.

Esta é uma das muitas funcionalidades do Altium Designer^® que permite a criação de projetos de PCB de forma integrada e precisa, tornando o processo de design não apenas mais fácil, mas também mais prazeroso.

No próximo artigo, exploraremos como projetar e otimizar PCBs para baixa EMI. Certifique-se de continuar acompanhando nossas páginas e redes sociais para não perder.

Enquanto isso, você pode começar seu teste gratuito do Altium Designer^® + Altium 365^™ hoje mesmo e elevar seus projetos de design de PCB para o próximo nível.