Следите за многослойным путем возврата земли, чтобы предотвратить ЭМИ

Прокладывание пути обратно к земле может быстро стать сложной задачей на сложной многослойной печатной плате. Когда у вашей печатной платы небольшое количество слоев (например, 4-слойная плата с двумя слоями плоскостей), становится довольно легко определить путь возврата и специально спроектировать его для предотвращения электромагнитных помех. Ситуация усложняется, когда вы работаете с платами с большим количеством слоев. Несколько слоев плоскостей и проводников могут формировать путь возврата к земле, даже если проводник не заземлен. Вот где важно различать земляные плоскости и плоскости отсчета, поскольку обе они могут формировать часть пути возврата в вашей печатной плате.

Путь возврата к земле против плоскостей отсчета

Плоскости отсчета являются неотъемлемой частью пути передачи сигнала. Будь они намеренно размещены на вашей плате, как земляная плоскость для сигнальных трасс, или непреднамеренная плоскость отсчета, которая находится близко к сигнальным трассам, может быть сложно определить, если вы не будете внимательно отслеживать расположение сигнальных трасс на вашей плате. Путь возврата сигнала к земле может фактически не проходить через землю; он может проходить через корпус, плоскость питания или какой-либо другой заземленный проводник.

Независимо от того, где проходит обратный путь на вашей плате, он всегда будет стремиться вернуться к точке с низким потенциалом на плате, то есть к точке возврата к земле, обратно к источнику питания. Будь то сигнал, индуцированный в вашем шасси, плоскости питания или другом проводнике, он будет притягиваться обратно к земле из-за разности потенциалов между вашим проводником заземления и проводником, находящимся под более высоким потенциалом.

Помимо того, что это характеристика колебаний при распространении сигнала, путь возврата сигнала определяет следующее поведение:

• Восприимчивость к ЭМИ. Индуктивность петли, создаваемая путем возврата, определяет восприимчивость схемы к ЭМИ. Схема с большой токовой петлей будет иметь большую паразитную индуктивность, делая её более восприимчивой к излучаемым ЭМИ. Индуктивность петли ниже, когда петля более плотная. Это одна из причин, по которой высокоскоростные сигнальные дорожки должны быть проложены близко к плоскости отсчета на соседнем слое.

• Помехи на смешанных сигнальных платах. Паразитная емкость между проводником, несущим сигнал, и ближайшим к нему опорным проводником, а также петля, создаваемая схемой, определяют реактивное сопротивление, видимое коммутируемым сигналом. Поскольку реактивное сопротивление является функцией частотного содержания вашего сигнала, путь возврата сигнала становится более труднопредсказуемым на умеренных частотах. Прочтите это руководство, чтобы узнать больше о проектировании пути возврата смешанного сигнала для однослойной платы.

• Путь шума общего режима. Шум общего режима, однажды возникший в данном следе, будет пытаться следовать тем же путем, что и ваш сигнал, обратно к земле. Точный путь возврата к земле, по которому следует шум общего режима, зависит от его частотного содержания, поскольку это определяет реактивное сопротивление, видимое сигналом.

Ситуация становится более сложной, когда мы проводим трассировку в многослойной конструкции с несколькими слоями земли, поскольку опорный проводник может изменяться вдоль пути сигнала. Основные величины, определяющие начальный опорный слой, - это паразитная емкость между следом сигнала и близлежащим проводником и индуктивность схемы. Заметьте, что паразитное сопротивление не локализовано только к соседним проводникам благодаря индуктивности, которая может создать сложный путь возврата к земле на многослойной плате.

Вы можете отследить путь возврата тока для этих дорожек?

Возвращение к надежному пути возврата тока

Если вы прочитали то, что я написал выше, и все еще задаетесь вопросом, что происходит с током возврата в сложной печатной плате, вы, вероятно, спрашиваете себя: что происходит, когда ток связан с земляной плоскостью или другим заземленным проводником? Почему это вообще происходит? Оба вопроса вполне уместны.

Паразитные эффекты между соседними проводниками

Давайте сначала ответим на второй вопрос, так как это поможет объяснить ответ на первый вопрос. Место, где вводится путь возврата, зависит от емкости между сигнальной дорожкой и соседними проводниками, а также от собственной индуктивности цепи, образованной сигнальной дорожкой и рассматриваемым проводником. Вместе эти величины определяют импеданс, воспринимаемый сигналом.

Путь с наименьшим импедансом (заметьте, что этот путь может проходить через подложку или через воздух!) является направлением, по которому следует ток возврата. Происходит так, что путь, представляющий наименьший импеданс (т.е. наиболее сильное связывание) между сигнальной дорожкой и потенциальным проводником, оказывается ближайшим проводником, так как этот путь обычно обеспечивает наибольшую емкость и наименьшую индуктивность.

Силовые слои как путь возврата земли

Это объясняет, почему силовой слой может действовать как опорный проводник, если он расположен ближе к данному сигнальному следу, чем ближайший слой земли. Емкостное/индуктивное сопротивление между силовым слоем и сигнальным следом может быть гораздо больше, чем эти значения между следом и его ближайшим слоем земли. История, которую мы здесь рассказали, эффективно описывает, как сигнал может менять опорные слои, проходя через несколько слоев в многослойной печатной плате.

Пример пути возврата для сигнала, проходящего через силовой слой в многослойной печатной плате.

Теперь третий вопрос: как возвращаемый сигнал, связанный с силовым слоем, возвращается к заземленному пути возврата? Слой силовой плоскости и земли будут иметь некоторую межплоскостную емкость, которая позволяет току возврата связываться обратно с земляным слоем. В случае, когда между силовым портом и слоем земли подключены обходные конденсаторы, они также будут вносить некоторое емкостное и индуктивное сопротивление для возвращаемого сигнала, индуцированного в силовом слое.

Опытный конструктор должен понимать, что, в общем случае, не следует прокладывать трассы над плоскостью питания, если вы не можете обеспечить низкое сопротивление связи обратно к GND для возвратного пути, особенно на платах высокой скорости/высокой частоты. Вы всегда должны проектировать вашу плату, учитывая возвратный путь, чтобы уменьшить электромагнитные помехи. Обычно возвратный путь при трассировке над плоскостью PWR обеспечивается близлежащими декапами, любыми переходными отверстиями, соединяющими зоны заземления, или емкостно связанным смещением тока от плоскости PWR к плоскости GND. Опасность здесь заключается в том, что возвратный путь сложно или невозможно отследить через плату, особенно в четырехслойных структурах, что создаст сильный источник электромагнитных помех из-за создания большого токового контура и/или возвратного пути с высоким сопротивлением.

Мощные инструменты проектирования печатных плат в Altium Designer^® теперь включают инструмент проверки пути возврата к земле, встроенный в движок DRC. Это позволяет вам определять пределы отклонения между трассой и ближайшей опорной плоскостью как правило проектирования. Затем это автоматически проверяется функциями трассировки в Altium Designer при создании вашего слоя. У вас также будет полный набор инструментов для анализа целостности сигнала и подготовки документации для вашего производителя.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки плат, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.

Узнайте больше о проверке пути возврата в Altium Designer