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.

Layer Stackup Design

Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.

Learn More

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.

Конструирование высокоскоростных печатных плат

Простые решения для сложных задач проектирования высокоскоростных печатных плат

Изучите предлагаемые решения

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.

Лучшая интерактивная маршрутизация

Сократите время маршрутизации вручную даже для самых сложных проектных решений.

Изучите предлагаемые решения

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.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More