Planos de Alimentação e Planos de Terra: Você Deve Usar o Plano de Alimentação da sua PCB como um Caminho de Retorno?

Planos de alimentação (às vezes chamados de camada de alimentação) e planos de terra são importantes não apenas para a distribuição de fornecimento de energia. Ao definir planos de referência, tanto com roteamento controlado por impedância quanto no gerenciamento de caminhos de retorno, sua pilha pode forçar as correntes de retorno a passar por um plano de alimentação da PCB antes de serem acopladas de volta a uma camada de terra. Mesmo que você defina uma camada de referência GND como base para a largura de sua trilha controlada por impedância, você ainda precisa definir um caminho de retorno claro ao longo do comprimento do plano de alimentação em seu design. Vamos dar uma olhada em algumas boas práticas para controlar caminhos de retorno em sua PCB com um plano de alimentação como caminho de retorno.

Comportamento do Sinal com um Plano de Alimentação da PCB como Caminho de Retorno

Quando dizemos "caminho de retorno", estamos nos referindo ao caminho que é naturalmente seguido pela corrente de retorno em um design, onde a corrente pode viajar de volta ao terminal de baixo potencial no lado de entrada da montagem da PCB. Para um sinal que viaja em uma linha de transmissão, o caminho de retorno é determinado pela capacitância entre a linha e seu plano de referência. Uma maior capacitância, maior frequência, ou ambos, significa que a corrente de retorno pode facilmente passar para a camada de terra como uma corrente de deslocamento.

Isso, por sua vez, significa que a distância entre uma linha de transmissão e seu plano de referência, seja qual for o tipo desse plano de referência, determina alguns comportamentos elétricos importantes em projetos reais. Tais comportamentos incluem:

• Susceptibilidade a EMI de fontes externas, que pode ser recebida indutivamente através de um grande laço de corrente, ou capacitivamente através do campo elétrico
• Impedância inconsistente, que surgirá ao rotear entre regiões de planos, sobre lacunas, ou com larguras de trilhas variáveis ao longo de um interconector
• Diafonia de outras trilhas, que pode acoplar mais facilmente de forma indutiva em uma trilha vítima se o design tiver um 
• Perdas durante a propagação, que ocorre devido à concentração de linhas de campo entre a linha de transmissão e o plano de referência próximo ou outros condutores

Se você puder escolher entre usar um plano de potência ou plano de terra como a camada adjacente que fornece um caminho de retorno ou referência de sinal, você deve sempre escolher o plano de terra do PCB. Há duas razões para isso, que explicarei com mais detalhes abaixo.

Acoplamento Capacitivo

Antes de discutirmos como um plano de alimentação realmente funciona (ou não) como um caminho de retorno, precisamos fazer a pergunta: como a corrente de uma linha de transmissão entraria no PCB do plano de alimentação para começar. A resposta é: acoplamento capacitivo! Lembre-se, como foi mencionado acima, o caminho de retorno é induzido entre uma linha de transmissão e qualquer condutor próximo. Para uma camada de plano próxima, isso acontece sempre que há uma mudança de potencial elétrico entre a linha e o plano. Portanto, sempre que temos uma trilha sendo roteada ao lado de um plano, e um sinal digital viaja por essa trilha, agora temos uma corrente de deslocamento sendo conduzida na camada do plano.

Se o plano próximo fosse um plano de terra no mesmo potencial que nosso ponto de baixo potencial na entrada de alimentação, então tudo estaria ótimo. O problema com isso é, quando a corrente precisa então passar de um plano de alimentação e entrar na camada de terra próxima, a corrente precisará atravessar outra camada dielétrica para alcançar um plano de terra do PCB.

Dependendo de como o empilhamento é projetado e da área na placa onde o sinal é induzido, a capacitância entre as duas camadas pode formar um caminho de impedância muito alta entre o plano de alimentação e o plano de terra. Dependendo do empilhamento, como o simples empilhamento de 4 camadas mostrado abaixo, a capacitância do plano entre a camada de alimentação e a camada do plano de terra da PCB pode ser muito pequena (na ordem de femtofarads por mm quadrado), criando um caminho de retorno de impedância extremamente alta, exceto para sinais digitais extremamente rápidos ou sinais de RF de muito alta frequência. A única outra opção nesta jornada entre o plano de alimentação e o plano de terra é através do capacitor de desacoplamento mais próximo, como mostrado abaixo. Em qualquer caso, você pode ter um problema de EMI em algum lugar da placa.

Para sinais de extremidade única tipicamente de baixa velocidade (como sinais I2C ou SPI limitados pelo tempo de subida), a EMI gerada por essa acoplamento ao GND pode não ser o maior problema. Isso não acontece de todo com dispositivos puramente DC ou analógicos de baixa frequência. No entanto, com os componentes CMOS padrão de hoje, até os barramentos de extremidade única em componentes digitais comuns podem ter esse problema. Então, qual é a solução?

A resposta é encontrada no redesenho do empilhamento da PCB. O caminho mais simples é adicionar camadas que forneçam o retorno à terra. Geralmente, não serão necessárias outras alterações de design, desde que todos os planos de GND estejam unidos com vias de costura espaçadas apropriadamente. Algo que é mais demorado do ponto de vista do design, como no empilhamento de 4 camadas acima, é colocar PWR e Sinal na mesma camada, e então adicionar o PWR na mesma camada como preenchimento.

Exemplo de 4 Camadas

No exemplo da placa de 4 camadas acima, o empilhamento é melhor utilizado se os barramentos e linhas que devem fornecer fluxos contínuos de bits forem colocados na camada superior diretamente acima do GND. Outros sinais, como sinais de controle que podem ser desacelerados com terminação RC ou em série, podem ser colocados na camada traseira, assim como outros componentes de suporte. No entanto, se você precisar ter uma PCB de 4 camadas com barramentos digitais em ambas as camadas superficiais, então a melhor prática é usar um empilhamento alternativo.

A empilhagem abaixo é, sem dúvida, a melhor alternativa para suprimir ruídos e fornecer caminhos de retorno claros em todos os lugares. Esta é a empilhagem SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR, onde sinal e energia são roteados nas camadas superiores. Isso proporciona um desacoplamento muito forte para os trilhos de energia, pois eles estarão (ou deveriam estar) colocados próximos ao plano GND na camada adjacente.

• Saiba mais sobre esta alternativa de empilhagem de 4 camadas

Existe uma dificuldade nesta placa, que pode surgir quando há múltiplos trilhos de energia. No caso em que sua placa de 4 camadas precisa ter sinais de alta velocidade em ambas as camadas, bem como múltiplos trilhos de energia e forte integridade de energia, a empilhagem padrão SIG/GND/PWR/SIG não funcionará. É aqui que adicionar duas camadas e construir uma empilhagem de 6 camadas é a melhor opção.

Exemplo de 6 Camadas

Como a maioria dos problemas de roteamento e layout, que acabam gerando problemas de EMI, a origem do problema geralmente está na definição de terra ou na disposição incorreta das camadas no empilhamento da PCB. Embora você possa usar o plano de alimentação como uma referência de impedância e caminho de retorno para os sinais, você precisará colocar um plano de terra próximo à PCB para evitar o acoplamento entre as camadas no tipo de empilhamento de camadas mostrado abaixo.

Um empilhamento que às vezes é usado em designs mais densos é o empilhamento de 6 camadas mostrado abaixo. As camadas de sinal superior e inferior são acopladas diretamente ao terra, mas ainda temos um plano de alimentação (em azul no L3) que pode ter alta capacitância de plano para o terra no L2, dependendo das espessuras das camadas.

• Aprenda mais sobre diretrizes de empilhamento de 6 camadas

Uma disposição alternativa de camadas que não é ideal com roteamento de alta velocidade em uma camada interna é ter duas camadas de sinal adjacentes e alimentação no L2. Isso poderia permitir crosstalk interno e criar problemas para retornar a corrente ao terra se os sinais não forem segmentados em diferentes regiões na PCB. Uma disposição melhor seria usar a placa de 6 camadas mostrada acima.

E que tal acoplar diretamente nas trilhas? Normalmente, a capacitância parasita entre as camadas vizinhas pode ser bastante pequena devido às pequenas dimensões das trilhas de sinal, criando um caminho de retorno de impedância relativamente alta entre qualquer corrente de retorno no plano de alimentação em L3 e o plano de terra em L5. A maneira normal de fornecer um caminho de retorno de baixa impedância entre qualquer corrente de retorno na camada de alimentação e o plano de terra é colocar um capacitor de desacoplamento/bypass entre os planos de alimentação/terra. No exemplo acima, o caminho de baixa impedância preferível para qualquer corrente de retorno induzida no plano de alimentação é diretamente para o terra em L2, não em L5.

A Conclusão: Projete Seu Caminho de Retorno

Seja permitindo que os sinais se acoplem de volta ao plano de alimentação seguido por acoplamento capacitivo ao plano de terra PCB mais próximo, ou diretamente de volta ao plano de terra, você precisará engenhar cuidadosamente seu caminho de retorno para prevenir o acoplamento indesejado entre qualquer sinal de retorno. O ponto importante aqui é que qualquer circuito em sua placa está completo quando se conecta de volta ao plano de terra do PCB, independentemente de se esse acoplamento é direto, através de capacitores de desacoplamento/bypass, ou graças à capacitância interplano. É por isso que, em PCBs modernas, sempre dizemos para rotear adjacente a um plano de terra: isso permite que o caminho de retorno seja enviado diretamente ao plano de terra sem usar capacitores de bypass, vias de costura com preenchimento de cobre, ou outras medidas que não resolvem os problemas criados por uma má configuração de camadas.

Embora tecnicamente você possa aproveitar um plano de alimentação como uma camada de blindagem e um plano de referência de PCB (assumindo que a diferença de potencial entre a trilha de sinal e o plano de alimentação não seja 0 V), torna-se difícil controlar o caminho de retorno em geral. Isso é particularmente verdadeiro com placas de alta velocidade/alta frequência. Em designs mais avançados que operam em níveis de sinal baixos, você pode estar usando pares diferenciais, caso em que o caminho de retorno é fornecido pela condução diferencial, ou seja, flui paralelo à trilha de sinal ALTO. Se você está interessado em aprender mais sobre o rastreamento do caminho de retorno em sua placa, dê uma olhada neste artigo de Francesco Poderico.

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