Duas Empilhagens de PCB de 4 Camadas Com Impedância de 50 Ohms

Novos designers que evoluem de uma placa de 2 camadas para uma de 4 camadas provavelmente estão prontos para começar a trabalhar com planos de alimentação e terra, e existe um empilhamento padrão que a maioria dos fabricantes fornecerá para ajudar a construir seu design. O empilhamento básico que você frequentemente verá recomendado é do tipo SIG/GND/PWR/SIG, onde as camadas internas são planos ou grandes polígonos. Para muitos tipos de designs, isso é suficiente, desde que você não cometa alguns erros simples de layout e roteamento.

Se você precisar fazer algo mais avançado, como o posicionamento e roteamento de componentes de alta velocidade em ambos os lados da placa, precisará usar um empilhamento alternativo. O erro típico de roteamento que resulta no empilhamento básico de 4 camadas envolve rotear sinais de alta velocidade entre as camadas superficiais sem fornecer um caminho de retorno claro, resultando em muita EMI irradiada da placa. Em vez disso, você deve usar um desses empilhamentos alternativos de 4 camadas para criar seu empilhamento e layout de PCB.

Empilhamento #1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

Esta pilha utiliza terra nas camadas externas para fornecer alta proteção contra EMI externo. Também pode oferecer um caminho fácil e direto para ESD voltar para GND e eventualmente para o chassis do dispositivo ou terra, sem a necessidade de seguir um caminho através de uma via para uma camada interna. Este tipo de design, com terra nas camadas externas e conexões de baixa impedância diretamente com GND através de trilhas, é definitivamente o design mais seguro do ponto de vista de EMI e ESD. Ele também escala bem para um número maior de camadas, se necessário.

O problema potencial com esta pilha é o crosstalk entre sinais em camadas diferentes. Normalmente, o núcleo espesso na placa será de ~40 mils ou mais, mas isso não é necessariamente suficiente para garantir que as trilhas não receberão crosstalk, especialmente em altas velocidades. A melhor maneira de prevenir crosstalk indutivo é com roteamento ortogonal em camadas diferentes. Além disso, não use isso com sinais de alta velocidade excessiva ou altas frequências, caso contrário, você pode ver crosstalk capacitivo entre camadas de sinal (muito mais problemático em frequências de alta potência GHz).

Para eliminar o problema de crosstalk, considere inverter esta pilha conforme mostrado abaixo.

Stackup #2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

Para mim, este empilhamento é preferível, particularmente para qualquer placa onde sinais de alta velocidade precisam transitar entre as duas camadas superficiais da placa. Este empilhamento é apenas uma inversão do empilhamento anterior. No entanto, sua função é diferente e não é necessariamente destinado a fornecer alta isolação de fontes externas de ruído. Em vez disso, é uma melhor opção para sistemas que requerem componentes de alta velocidade e roteamento em ambos os lados da placa. Também é fácil projetar este empilhamento de 4 camadas para impedância controlada de 50 Ohms. Finalmente, certifique-se de conectar os planos de GND com uma via próxima sempre que uma transição de sinal for feita.

O compromisso com este empilhamento é uma menor blindagem para sinais na camada externa. Sinais em cada lado da placa são blindados um do outro, mas não de fontes de radiação externas. Este empilhamento tem outra vantagem no sentido de que você pode rotear diretamente para os componentes sem a necessidade de cortar o plano de terra. No geral, estas vantagens neste empilhamento e no empilhamento anterior são ideais para designs de alta velocidade com roteamento em ambas as superfícies comparado ao empilhamento padrão SIG/PWR/GND/SIG.

Por Que Estes Empilhamentos São Melhores Para Sinais de Alta Velocidade de Modo Simples

O empilhamento padrão SIG/PWR/GND/SIG para uma placa de 4 camadas ainda é aceitável para alta velocidade, mas você só pode suportar de forma confiável velocidades moderadas a altas no digital em um lado da placa. Isso se deve ao par de camadas SIG/GND que é ideal para sinais digitais; a camada de sinal que está adjacente à camada GND é a camada que deve ser usada para o digital pelos seguintes motivos:

• Impedância controlada: O espaçamento próximo entre a camada GND e a camada SIG permite definir trilhas de impedância controlada de extremidade única para 50 Ohms (ou alguma outra impedância) sem tornar as trilhas excessivamente largas.
• Blindagem: O empilhamento SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR terá a maior blindagem contra ruído interno e diafonia entre camadas, enquanto o empilhamento inverso terá a maior blindagem contra ruído externo, mas terá diafonia interna se não for roteado corretamente.
• Caminho de retorno claro: O caminho de retorno acoplado capacitivamente tem baixa impedância porque está sendo excitado diretamente no plano de terra. Em contraste com o par de camadas SIG/PWR, que apresenta um caminho de retorno de alta impedância ou um laço de corrente de retorno muito grande que gera EMI.

A maior razão que você verá citada para usar uma dessas alternativas de empilhamento é o último ponto desta lista, onde há a necessidade de fornecer um caminho de retorno. O caminho de retorno induzido no plano de alimentação é imprevisível e pode ser muito grande.

Para tentar reduzir a área do laço e a impedância do caminho de retorno para sinais digitais, uma solução paliativa pode ser colocar um pouco de revestimento de cobre na camada superficial ao redor de suas trilhas acima do plano de alimentação. No entanto, o acoplamento capacitivo entre a trilha e o sinal pode ser fraco e não há garantia de uma grande redução na EMI.

Embora você tenha apenas uma camada ideal para sinais digitais em vez de duas camadas, o empilhamento padrão SIG/PWR/GND/SIG tem outros méritos. Com um plano de alimentação dedicado, você ainda pode rotear uma corrente maior do que poderia no revestimento de cobre usado para rotear energia; isso seria útil em um sistema de alimentação que requer algum circuito de controle digital. A camada de trás pode ser usada para segurar uma variedade de outros componentes como conectores ou passivos.

A lição importante no design padrão de empilhamento de 4 camadas, particularmente no que diz respeito à colocação de energia em uma placa de 4 camadas, é esta: incluir uma camada de energia dedicada não fará com que seu design falhe automaticamente nos testes de EMC. No entanto, não assuma que você pode rotear seus sinais digitais como quiser apenas porque está roteando sobre um plano de energia uniforme. É mais importante entender como um caminho de retorno se propaga em um plano de energia e como ele eventualmente se acopla de volta ao terra através de um caminho de retorno de alta impedância.

Não importa que tipo de empilhamento de PCB de 4 camadas você queira construir, as ferramentas de design fáceis de usar no CircuitMaker podem ajudá-lo a personalizar rapidamente seu empilhamento e criar seu layout de PCB. Todos os usuários do CircuitMaker podem criar esquemáticos, layouts de PCB e documentação de fabricação necessária para mover um design da ideia para a produção. Os usuários também têm acesso a um espaço de trabalho pessoal na plataforma Altium 365, onde podem fazer upload e armazenar dados de design na nuvem, e visualizar projetos facilmente através de um navegador web em uma plataforma segura.

Comece a usar o CircuitMaker hoje e fique atento para o novo CircuitMaker Pro da Altium.