Проектирование шестислойной структуры печатной платы для повышения электромагнитной совместимости

6-слойные печатные платы являются экономичным и популярным решением для различных приложений с высоким количеством соединений и малым размером. Большие платы могут нормально работать с 4-слойной структурой, где можно пожертвовать слоями сигналов, чтобы обеспечить изоляцию между сторонами платы. С правильной 6-слойной структурой вы можете подавлять электромагнитные помехи между различными слоями и размещать компоненты с мелким шагом и высоким количеством соединений. Однако есть случаи, когда имеет смысл использовать 4-слойную или 8-слойную структуру, и понимание функции слоев питания на плате помогает сделать это суждение.

Сколько мне нужно слоев питания, земли и сигналов?

Ответ на этот вопрос крайне важен и действительно зависит от применения вашей платы. Если вы разводите плотную плату с ограниченным пространством, но все работает на низкой скорости или постоянном токе, вы часто можете обойтись двумя слоями питания и четырьмя слоями сигналов. Однако в этом случае вы часто можете уменьшить количество слоев до 4 с помощью творческого подхода к размещению и трассировке.

Если вам необходимо значительно снизить восприимчивость к ЭМП, используется альтернативная компоновка слоев, и вам следует выбрать больше слоев питания/земли и меньше слоев сигналов. Если это цифровая плата или плата смешанных сигналов, размещение сигнальных слоев относительно слоев плана, а также плотно расположенная пара слоев питания/земли, дадут вам необходимую гибкость для прокладки трасс по всей плате без создания проблем с ЭМП. Добавление большего количества земли вокруг платы также может иметь значительный экранирующий эффект без необходимости использования неэлегантного решения, такого как экранирующие коробки.

Если вы будете смешивать цифровые и аналоговые сигналы, сигналы высокой и низкой частоты или комбинацию всего этого, вы все равно можете творчески использовать компоновку из 6 слоев печатной платы. В какой-то момент вам может потребоваться выбрать более крупную плату или больше слоев в вашей компоновке (или и то, и другое!). Существует множество комбинаций слоев сигнал/план для компоновки из 6 слоев, но ниже будут показаны несколько распространенных примеров.

Примеры компоновки 6-слойной печатной платы

Имея это в виду, давайте рассмотрим несколько примеров компоновки 6-слойной печатной платы:

Сигнал+ПИТ/ЗЕМ/2 слоя сигналов/ЗЕМ/Сигнал+ПИТ

Этот пример шестислойной структуры печатной платы является популярным вариантом начального уровня, который обеспечивает защиту низкоскоростных трасс на внутреннем слое от трасс на внешних слоях. Также обеспечивается тесная связь с твердыми плоскостями. Вы можете прокладывать сигналы с более низкой частотой/меньшей скоростью переключения или через внутренний слой, если они ортогональны. Я бы прокладывал трассы высокоскоростных цифровых и/или аналоговых сигналов на внешних слоях, чтобы защитить их друг от друга и от трасс низкой скорости/частоты на внутренних слоях. Пример показан ниже.

В этом случае я бы не смешивал аналоговые и цифровые сигналы на внутренних слоях, если вы не можете разделить их на разные области платы. Однако, в такой ситуации, когда вам нужно разделение между цифровыми и аналоговыми секциями, вы, вероятно, сможете обойтись четырехслойной структурой с внутренними плоскостями и некоторым творческим расположением/прокладкой, или вы можете использовать предпочтительную конфигурацию SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR на четырех слоях (смотрите здесь рекомендации).

На такой структуре слоев не делайте второй слой слоем питания и не пытайтесь делать пары с широкосторонней связью параллельно на L3+L4. Вместо этого вы будете прокладывать PWR на слое сигналов. Основная проблема здесь заключается в отсутствии межплоскостной емкости между слоями питания и земли и высоком индуктивном пути возврата от L1 к L5. Поскольку эти слои плоскостей разделены, потребуется больше декаплеров и виас возврата на землю, чтобы компенсировать непредсказуемые пути возврата сигналов на L1. По этой причине такие платы, вероятно, следует использовать только с системами питания или постоянного тока, которым не нужно точное предсказание и отслеживание пути возврата.

Сигнал/ЗЕМЛЯ/ПИТАНИЕ/ЗЕМЛЯ/Сигнал/ЗЕМЛЯ

Этот пример 6-слойной структуры печатной платы является хорошим асимметричным вариантом для плат, которым необходимо обеспечить значительное развязывание для высокоскоростных сигналов, но при этом плотность компоновки не настолько высока, чтобы требовалось 3 слоя для сигналов. Одним из примеров может служить сочетание высокоскоростных (L1) и низкоскоростных (l5) сигналов, поскольку они будут изолированы друг от друга, а плотно расположенная пара плоскостей питания и земли обеспечит высокое развязывание для поддержки высокоскоростной целостности питания. Внутренний слой сигналов будет защищен от поверхностного слоя сигналов, поскольку он заключен между двумя земляными плоскостями. Это также полезно для подавления электромагнитных помех, мешающих внутреннему слою сигналов, поскольку сплошные проводники обеспечивают эффективное экранирование. Плоскости питания и земли, вероятно, будут расположены близко друг к другу для обеспечения эффективного развязывания для высокоскоростных цифровых устройств.

Основная проблема этой конструкции заключается в том, что она позволяет легко размещать компоненты только на верхнем слое, если только вы не начнете вырезать землю с нижнего слоя, чтобы освободить место для компонентов, так что по сути вы создаете одностороннюю плату. Это дорогостоящее предложение для производства, так как требует большого количества сверления для размещения переходных отверстий к внутреннему слою сигналов. Это подчеркивает преимущества использования четырехслойной или восьмислойной конструкции печатной платы. С восьмислойной конструкцией вы можете создать аналогичное расположение соседних слоев питания/земли во внутренних слоях, одновременно обеспечивая внутреннюю трассировку и размещение компонентов/трассировку на нижнем слое.

Сигнал/ЗЕМ/ПИТ/Сигнал/ЗЕМ/Сигнал

Это вариация на предыдущую плату, которая предоставляет дополнительный слой сигналов. Это хорошая отправная точка, если вы работаете с цифровой системой с умеренным количеством ввода/вывода, которая требует контроля импеданса на внешних слоях. Например, мы используем эту компоновку на сетевых коммутаторах и платах смешанных сигналов, работающих на скоростях Гбит/с или выше. Недостатком является меньшая развязка между PWR и GND по сравнению с предыдущей компоновкой. Низкая связь PWR/GND компенсируется банками декаплеров. L4 затем может использоваться с сигналами низкой скорости, которые ссылаются на PWR, что затем обеспечит прямую связь обратно к GND на L2.

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

Если ваша плата будет развернута в электрически шумной среде или будет расположена рядом с источником сильного излучения, этот стек слоев обеспечивает отличное подавление ЭМИ. С добавлением тщательно расположенных сквозных переходов (ститчинг виас), вы можете обеспечить экранирование до некоторой высокой частоты (обычно далеко в диапазоне ГГц). Недостатком является то, что есть только два слоя для сигналов, поэтому пространство на плате для трассировки сигналов будет ограничено. Вы также будете разрезать плоскость PWR переходами при трассировке между слоями сигналов или наружу к поверхностным слоям. Тем не менее, размещение слоев сигналов между стеками проводящих плоскостей является хорошим выбором с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС).

Этот стек слоев предоставляет еще одно не так очевидное преимущество: лучшее тепловое управление. Хотя эти платы не предназначены для энергосистем с высокими токами, проводники по обе стороны от слоя сигналов и во внутренних слоях могут помочь переносить тепло к краям и поверхностям платы, где оно может затем рассеиваться с помощью пассивного или активного охлаждения. У вас не будет такого же уровня рассеивания тепла, как у платы с металлическим основанием или керамической, но у вас есть преимущества нескольких плоскостей для экранирования, чтобы помочь в подавлении ЭМИ.

Примечание по трассировке между несколькими слоями

Мы часто говорим о прокладке переходных отверстий (виас) через несколько слоев, но такое решение может создать разрыв в пути возврата, увеличивая площадь петли для схемы. В таком случае паразитная емкость между слоями должна обеспечить некоторый разряд, который вызывает возвратный ток рядом с сигнальным виасом. К сожалению, емкость обычно слишком мала, чтобы обеспечить надежный путь возврата с низким импедансом. По этой причине путь возврата появляется в ближайшем развязывающем конденсаторе или в виасах, которые вы используете для соединения зон заземления на нескольких слоях, все из которых могут быть далеко от сигнального виаса. В результате получается очень большой путь возврата с большой индуктивностью петли, и это создаст новую проблему электромагнитной совместимости (EMC), которую вам придется решать.

В результате существует два распространенных варианта, которые называются способами устранения помех EMI из-за отсутствия пути возврата:

1. Разместите развязывающий конденсатор параллельно сигнальному переходу, чтобы обеспечить путь возврата
2. Разместите заземленный переход или пару заземленных переходов параллельно сигнальному переходу, чтобы обеспечить путь возврата

По моему мнению, лучшим вариантом будет размещение одного или двух заземленных переходов вдоль сигнального перехода, при условии, что обе опорные плоскости находятся на одном и том же потенциале. Это обеспечивает путь возврата с низкой индуктивностью и без нарушения связи с опорными плоскостями. Необходимость обеспечения пути возврата является одной из причин, по которой дизайнер может просто заполнить все пространство на плате заземленными сквозными переходами после завершения размещения.Если вы делаете это с помощью сквозных переходов, обязательно прочтите эту статью.

Чтобы увидеть некоторые другие примеры использования шестислойных стеков для подавления ЭМИ, в частности в продуктах IoT, ознакомьтесь с недавней презентацией Кена Уайатта на AltiumLive 2022.

Ваш комплект для проектирования печатных плат должен включать инструменты, необходимые для полного создания вашей структуры с нуля. С Altium у вас будет полный контроль над расположением слоев, материальными константами и размерами. Вы даже сможете использовать менеджер стека слоев для легкого создания жестко-гибких и многослойных систем. Все эти инструменты проектирования интегрированы непосредственно с вашими инструментами проектирования схем, размещения и создания документации в единой программе.

Скачайте бесплатную пробную версию Altium, чтобы увидеть, как мощные инструменты дают вам полный контроль над вашей платой. Вы также получите доступ к примерам стека слоев печатной платы на 6 слоев и лучшим функциям проектирования, которые требует отрасль, в одной программе. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.

Обменяйте ваш устаревший инструмент проектирования печатных плат и получите 45% скидки на Altium сегодня!