Овладение контролем ЭМИ в дизайне печатных плат: Как выбрать стеклянную структуру для проектирования ЭМС

Одним из наиболее важных понятий, которые необходимо освоить при проектировании печатных плат (PCB), обладающих высоким уровнем электромагнитной совместимости (EMC), является выбор структуры слоёв платы.

Рисунок 1 - Инструмент управления стеком слоёв в Altium Designer

Это становится одним из наиболее значимых аспектов, поскольку он тесно связан с ограничением электромагнитных полей в нашем дизайне PCB.

В этой третьей статье серии Освоение контроля над ЭМИ в дизайне печатных плат, мы собираемся более подробно исследовать эти концепции, а также рассмотреть другие важные понятия EMC.

Для того чтобы сигнал распространялся в цепи, требуется два проводника, формирующих замкнутый контур тока. Один проводник передает сигнал, а другой обеспечивает обратный путь, гарантируя возможность тока течь, и эффективную передачу сигнала. Один из проводников мы называем проводником сигнала, а другой - обратным проводником сигнала и опорным проводником. Опорный обратный проводник так назван, потому что его задача не только предоставить опору (или ноль вольт) для сигнала, но и обеспечить путь с наименьшим импедансом для возврата тока сигнала к источнику, который его породил. Для достижения пути с наименьшим импедансом лучшей конфигурацией будет выбор плоскости вместо дорожки, и эта плоскость должна быть без разрывов, разрезов или других сегментаций, которые могут создавать разрывы импеданса для сигналов.

Исходя из этого базового принципа, мы можем видеть, что для каждого слоя, где у нас есть сигнал, нам нужен второй проводник, опорная плоскость возврата, которая обеспечивает путь возврата и опоры. Следуя этому простому правилу, мы можем затем решить, как спроектировать наши стеки, просто сопоставив каждый слой сигнала с соседней опорной плоскостью возврата (RRP).

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Вот несколько примеров стеков, которые минимизируют электромагнитные помехи.

Пример двухслойного стека

Для двухслойного стека мы можем иметь конфигурацию, где один слой посвящен сигналам и дорожкам питания, в то время как второй слой является сплошной опорной плоскостью.

Рисунок 2 - Пример двухслойного стека с инструментом Layer Stack Visualizer в Altium Designer

Плоскость не должна иметь разрывов или других больших промежутков. Это также важно для избежания прокладки сигналов через промежутки, что может создать разрывы импеданса и увеличить пути токовых петель, в конечном итоге увеличивая излучаемые помехи. Если у нас есть дорожки, которые необходимо перекинуть с одного слоя на другой, мы хотим убедиться, что переход осуществляется как можно короче и не проходит под другими сигнальными дорожками.

Пример для четырехслойного стека

Тот же подход можно использовать для четырехслойного стека. Такой стек подходит, когда увеличивается плотность компонентов и дорожек, и требуется второй слой для прокладки сигнальных дорожек. Хотя трехслойный стек может достичь аналогичной конфигурации, обычно это не лучший вариант для производственных целей, поскольку производители обычно предлагают стеки слоев парами.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Для четырехслойной структуры существует две эффективные конфигурации:

1. Первая конфигурация имеет плоскости возврата и ссылки как встроенные плоскости в структуре. Это означает, что слой 1 и слой 4 будут слоями сигналов, в то время как слои 2 и 3 будут обеспечивать возврат и ссылку для сигналов на слоях 1 и 4 соответственно.

2. Вторая конфигурация имеет плоскости возврата и ссылки на слоях 1 и 4, которые действуют как своего рода щит для схемы, в то время как слои сигналов находятся на слоях 2 и 3, встроенные в структуру. В этой конфигурации мы хотим увеличить пространство между слоями 2 и 3, чтобы поля обоих сигналов не взаимодействовали друг с другом. Вместо этого, каждый слой сигналов связывается с плоскостями возврата и ссылки.

В обеих конфигурациях также должны быть реализованы сквозные переходы между плоскостями возврата и ссылки. Основные цели этого:

• Создать своего рода щит Фарадея для уменьшения излучений и внешних помех;

• Поддерживать плоскости как можно более эквипотенциальными и уменьшать общережимные напряжения;

• Обеспечить возврат и ссылку для сигналов, которые вертикально переходят с одного слоя на другой.

В этом случае питание также будет маршрутизироваться по слоям сигналов.

Рисунок 3 - Пример четырехслойной структуры с использованием инструмента визуализации структуры слоев в Altium Designer

Случай, когда один слой полностью выделен под питание в четырехслойной структуре, намеренно не рассматривается, так как это не рекомендуется для целей проектирования EMC из-за общего шума напряжения, который это может создать, если не выполнить правильно. Эта тема требует более глубоких технических разъяснений, которые мы оставим на другой раз.

Пример для шестислойной структуры

Шестислойная структура предоставляет большую степень свободы в том, как мы распределяем сигнальные и питающие слои.

Рисунок 4 - Пример шестислойной структуры с использованием инструмента визуализации структуры слоев в Altium Designer

Два очень эффективных варианта структуры могут обеспечить отличные характеристики с точки зрения EMC:

1. Стек 1: Сигналы прокладываются на слоях 1 и 6, с возвратными опорными плоскостями на слоях 2 и 5, а дополнительные слои сигналов находятся на слоях 3 и 4. Эта конфигурация позволяет слоям 2 и 5 служить возвратными и опорными плоскостями для всех четырех слоев сигналов, а не только для двух. Это становится возможным благодаря скин-эффекту, который позволяет различным токам находиться по разные стороны плоскостей без смешивания. Скин-эффект, по сути, является тенденцией переменного тока (AC) распределяться внутри проводника таким образом, что плотность тока наибольшая у поверхности проводника, уменьшаясь к центру. Это явление происходит из-за того, что изменяющееся магнитное поле, генерируемое переменным током, индуцирует вихревые токи, которые противодействуют потоку тока в центре проводника, заставляя ток течь больше по периферии. В таком типе стека сети питания могут быть проложены вместе со слоями сигналов.

2. Стек 2: Сигналы прокладываются на слоях 1 и 6, при этом слои 2 и 5 используются как слои возврата. В данной конфигурации слои 3 и 4 используются как питающие плоскости. Этот стек эффективен, особенно когда требуется больше мощности или необходима сеть питания с низким импедансом. Рекомендуется использовать сплошные, однородные плоскости как для слоев возврата, так и для питающих слоев. Использование различных полигонов на одном слое не рекомендуется, так как это может генерировать общемодовые помехи и приводить к излучаемым помехам при подключении кабелей. Выделите одну плоскость под каждое напряжение, чтобы избежать этих проблем и улучшить сеть питания (PDN) платы.

Как и в случае с четырехслойным стеком, убедитесь, что между внутренними сигнальными и питающими слоями достаточно расстояния, чтобы избежать взаимного влияния между ними, при этом максимизируя связь с слоями возврата. Также, когда это возможно, следует реализовать сквозные переходы между плоскостями возврата.

Примеры простых многослойных стеков с Altium Designer

К счастью, выбор стека печатной платы становится проще с Altium Designer^®.

С интегрированным инструментом Менеджер Стека Слоёв вы можете создавать пользовательские стеки для ваших печатных плат или использовать предустановленные стеки, что значительно облегчает работу конструктора ПП. Инструмент Менеджер Стека Слоёв также позволяет создавать более продвинутые типы стеков, где вы также можете рассчитать характеристическое сопротивление для ваших сигналов без необходимости использования сторонних калькуляторов.

Это одна из многих функций Altium Designer^®, которая позволяет создавать проекты печатных плат быстро и точно, делая процесс проектирования не только проще, но и более приятным.

В следующей статье мы рассмотрим, как проектировать и оптимизировать печатные платы для низкого уровня электромагнитных помех. Обязательно следите за нашими страницами и социальными сетями, чтобы не пропустить это.

Тем временем вы можете начать свою бесплатную пробную версию Altium Designer^® + Altium 365^™ уже сегодня и поднять свои проекты проектирования печатных плат на новый уровень.