Плоскости питания и заземления: Стоит ли использовать плоскость питания вашей печатной платы в качестве обратного пути?

Силовые слои (иногда их называют слоем питания) и земляные слои важны не только для распределения питания. Определяя опорные слои, как при управлении импедансом маршрутизации, так и при управлении путями возврата, ваш стек может заставить токи возврата проходить через слой питания печатной платы, прежде чем они будут снова связаны с земляным слоем. Даже если вы определяете слой GND как основу для ширины вашего трассирования с контролируемым импедансом, вам все равно нужно определить четкий путь возврата вдоль длины слоя питания в вашем дизайне. Давайте рассмотрим некоторые хорошие практики для контроля путей возврата в вашей печатной плате с использованием слоя питания в качестве пути возврата.

Поведение сигнала с силовым слоем печатной платы в качестве пути возврата

Когда мы говорим о "пути возврата", мы имеем в виду путь, который естественным образом следует ток возврата в дизайне, где ток может вернуться к терминалу низкого потенциала на входной стороне сборки печатной платы. Для сигнала, проходящего по линии передачи, путь возврата определяется емкостью между линией и ее опорным слоем. Большая емкость, высокая частота или и то, и другое означает, что ток возврата может легко перейти в земляной слой как смещающий ток.

Это, в свою очередь, означает, что расстояние между линией передачи и ее опорной плоскостью, каким бы ни был этот тип опорной плоскости, определяет некоторые важные электрические характеристики в реальных конструкциях. К таким характеристикам относятся:

• Восприимчивость к электромагнитным помехам от внешних источников, которые могут быть приняты индуктивно через большой токовый контур или емкостно через электрическое поле
• Непостоянный импеданс, который возникает при маршрутизации между областями плоскостей, через промежутки или при изменении ширины дорожек вдоль соединения
• Перекрестные помехи от других дорожек, которые могут более легко индуктивно связываться с пострадавшей дорожкой, если в конструкции имеется 
• Потери во время распространения, которые происходят из-за концентрации линий поля между линией передачи и близлежащей опорной плоскостью или другими проводниками

Если вы можете выбирать между использованием питающей плоскости или земляной плоскости в качестве смежного слоя, который обеспечивает путь возврата или сигнальную опору, вы всегда должны выбирать печатную плату земляной плоскости. Для этого есть две причины, которые я объясню более подробно ниже.

Емкостная связь

Прежде чем обсуждать, как плоскость питания действительно функционирует (или не функционирует) в качестве какого-либо пути возврата, нам нужно задать вопрос: как ток от линии передачи вообще может попасть на плату плоскости питания. Ответ: емкостная связь! Помните, как было сказано выше, путь возврата возникает между линией передачи и любым близлежащим проводником. Для близлежащего слоя плоскости это происходит всякий раз, когда между линией и плоскостью возникает изменяющийся электрический потенциал. Таким образом, всякий раз, когда мы прокладываем трассу рядом с плоскостью, и по этой трассе проходит цифровой сигнал, мы теперь имеем смещенный ток, который возбуждается в слое плоскости.

Если бы близлежащая плоскость была земляной плоскостью на том же потенциале, что и наша точка низкого потенциала на входе питания, то все было бы отлично. Проблема в том, что когда току необходимо затем перейти с плоскости питания на близлежащий земляной слой, току придется преодолеть еще один диэлектрический слой, чтобы достичь земляной плоскости печатной платы.

В зависимости от того, как спроектирована структура слоев и в какой области платы индуцируется сигнал, емкость между двумя слоями может образовать очень высокоимпедансный путь между слоем питания и земляным слоем. В зависимости от структуры слоев, например, как в простой четырехслойной конструкции, показанной ниже, емкость между слоем питания и земляным слоем печатной платы может быть очень маленькой (порядка фемтофарад на кв. мм), создавая чрезвычайно высокоимпедансный путь возврата, за исключением случаев с очень быстрыми цифровыми сигналами или сигналами РЧ высокой частоты. Единственным другим вариантом на этом пути между слоем питания и земляным слоем является ближайший развязывающий конденсатор, как показано ниже. В любом случае, на плате может возникнуть проблема с электромагнитными помехами.

Для обычных сигналов с однополярной передачей низкой скорости (таких как сигналы I2C или SPI с ограниченным временем нарастания), электромагнитные помехи, генерируемые этой связью с землей, могут не быть самой большой проблемой. Это вообще не происходит с чисто постоянным током или аналоговыми устройствами низкой частоты. Однако, с сегодняшними стандартными компонентами CMOS, даже однополярные шины в обычных цифровых компонентах могут иметь эту проблему. Так в чем же решение?

Ответ заключается в переработке стека печатной платы. Простейший путь вперед - добавить слои, которые обеспечивают возврат по земле. В целом, другие изменения в дизайне не потребуются, если все плоскости GND будут соединены вместе с помощью соответствующим образом расположенных сквозных переходов (stitching vias). То, что с точки зрения дизайна занимает больше времени, например, как в вышеупомянутом четырехслойном стеке, это размещение PWR и Signal на одном слое, а затем добавление PWR на том же слое в виде заливки.

Пример четырехслойной платы

В примере четырехслойной платы выше, стек лучше всего использовать, если шины и линии, которые должны обеспечивать непрерывные потоки битов, размещены на верхнем слое непосредственно над GND. Другие сигналы, такие как управляющие сигналы, которые могут быть замедлены с помощью RC или последовательной терминировки, могут быть размещены на заднем слое, а также другие вспомогательные компоненты. Однако, если вам нужна четырехслойная печатная плата с цифровыми шинами на обеих поверхностных слоях, то лучшей практикой будет использование альтернативного стека.

Предложенная ниже конструкция слоев является, пожалуй, лучшей альтернативой для подавления помех и обеспечения четких путей возврата везде. Это конструкция SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR, где сигнал и питание прокладываются на верхних слоях. Это обеспечивает очень надежное развязывание для линий питания, поскольку они будут (или должны быть) расположены близко к плоскости GND на соседнем слое.

• Узнайте больше об этой альтернативной 4-слойной конструкции

В этой плате есть одна сложность, которая может возникнуть, когда имеется несколько линий питания. В случае, когда вашей 4-слойной плате необходимо иметь высокоскоростные сигналы на обоих слоях, а также несколько линий питания и сильную целостность питания, стандартная конструкция SIG/GND/PWR/SIG не подойдет. Вот где добавление двух слоев и создание 6-слойной конструкции является лучшим вариантом.

Пример 6-слойной конструкции

Как и в случае большинства проблем с трассировкой и размещением, которые затем приводят к проблемам с электромагнитными помехами (EMI), источник проблемы обычно связан с определением земли или неправильным расположением слоев в стеке печатной платы (PCB). Хотя вы можете использовать плоскость питания как ссылку на импеданс и путь возврата для сигналов, вам нужно будет разместить рядом плоскость земли PCB, чтобы предотвратить связь между слоями в типе стека слоев, показанном ниже.

Один из стеков, который иногда используется в более плотных конструкциях, это 6-слойный стек, показанный ниже. Верхний и нижний слои сигналов непосредственно связаны с землей, но у нас все еще есть плоскость питания (на L3, обозначена синим), которая может иметь высокую емкость плоскости по отношению к земле на L2, в зависимости от толщины слоев.

• Узнайте больше о рекомендациях по 6-слойному стеку

Альтернативное расположение слоев , которое не является идеальным при высокоскоростной трассировке на внутреннем слое, это наличие двух соседних слоев сигналов и питания на L2. Это может привести к внутренней перекрестной помехе и создать проблемы с возвратом тока обратно на землю, если сигналы не разделены на разные регионы на PCB. Лучшим решением было бы использование 6-слойной платы, показанной выше.

Что насчет прямого соединения с дорожками? Обычно паразитная емкость между соседними слоями может быть довольно маленькой из-за малых размеров сигнальных дорожек, создавая таким образом довольно высокоимпедансный путь возврата между любым возвратным током в плоскости питания на L3 и земляной плоскостью на L5. Обычный способ обеспечения низкоимпедансного пути возврата между любым возвратным током в слое питания и земляной плоскостью заключается в размещении развязывающего/байпасного конденсатора между плоскостями питания и земли. В приведенном выше примере предпочтительный путь низкого импеданса для любого индуцированного возвратного тока в плоскости питания напрямую ведет на землю на L2, а не на L5.

Вывод: Проектируйте свой путь возврата

Вне зависимости от того, позволяете ли вы сигналам связываться обратно с плоскостью питания с последующей емкостной связью с ближайшей земляной плоскостью печатной платы или напрямую с земляной плоскостью, вам необходимо тщательно спроектировать путь возврата, чтобы предотвратить нежелательную связь между любым возвращаемым сигналом. Важный момент здесь заключается в том, что любая цепь на вашей плате считается завершенной, когда она соединяется обратно с земляной плоскостью печатной платы, независимо от того, является ли это связь прямой, через развязывающие/переходные конденсаторы, или благодаря емкостной связи между плоскостями. Вот почему на современных печатных платах мы всегда говорим о прокладке маршрутов рядом с земляной плоскостью: это позволяет направлять путь возврата напрямую к земляной плоскости без использования развязывающих конденсаторов, сквозных переходов с медным заливом или других мер, которые не решают проблемы, созданные плохим стеком.

Хотя технически вы можете использовать силовую плоскость как слой экранирования и опорную плоскость печатной платы (при условии, что разность потенциалов между сигнальным треком и силовой плоскостью не равна 0 В), контроль за путем возврата в общем становится сложным. Это особенно актуально для плат высокой скорости/высокой частоты. В более продвинутых конструкциях, работающих на низких уровнях сигналов, вы можете использовать дифференциальные пары, в этом случае путь возврата обеспечивается дифференциальным управлением, т.е., он течет параллельно высокому сигнальному следу. Если вас интересует более подробная информация о трассировке пути возврата на вашей плате, рекомендуем ознакомиться с этой статьей Франческо Подерико.

Новейшие инструменты компоновки и трассировки в Altium Designer^® включают в себя инструмент для работы с путем возврата земли, который интегрирован с движком DRC. Это позволяет вам определять пределы отклонения между трассой и ближайшей опорной плоскостью печатной платы как правило проектирования. Это правило автоматически проверяется интерактивными инструментами трассировки в процессе создания вашей платы. Также в вашем распоряжении будет полный набор инструментов для анализа целостности сигнала и подготовки производственных данных.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки макетов, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше о ваших платах с питающими слоями и платах с питающими плоскостями в целом.