Theo dõi Đường dẫn Trở về Mặt đất Đa lớp của bạn để Ngăn chặn EMI

Việc theo dõi đường trở về mặt đất có thể trở nên phức tạp trong một PCB đa lớp phức tạp. Khi PCB của bạn có ít lớp (ví dụ, một bảng 4 lớp với hai lớp mặt phẳng), việc xác định đường trở về và thiết kế nó một cách cố ý để ngăn chặn EMI trở nên khá dễ dàng. Tình hình trở nên phức tạp hơn khi bạn làm việc với số lượng lớp cao hơn. Nhiều lớp mặt phẳng và dẫn điện có thể tạo thành đường trở về mặt đất, ngay cả khi dẫn điện không được nối đất. Đây là lúc cần phân biệt giữa mặt phẳng nối đất và mặt phẳng tham chiếu vì cả hai có thể tạo thành một phần của đường trở về trong PCB của bạn.

Đường Trở Về Mặt Đất so với Mặt Phẳng Tham Chiếu

Mặt phẳng tham chiếu là một phần không thể thiếu của đường truyền tín hiệu. Dù chúng được đặt một cách có chủ ý trong bảng mạch của bạn, như một mặt phẳng nối đất cho các đường dẫn tín hiệu, hay một mặt phẳng tham chiếu không chủ ý nằm gần các đường dẫn tín hiệu, việc xác định có thể trở nên khó khăn nếu bạn không theo dõi cẩn thận vị trí của các đường dẫn tín hiệu trên bảng mạch của mình. Đường trở về mặt đất cho một tín hiệu có thể không thực sự chảy qua mặt đất; nó có thể đi qua khung máy, một mặt phẳng nguồn, hoặc một số dẫn điện khác được nối đất.

Dù đường trả về đi qua đâu trên bo mạch của bạn, nó luôn cố gắng quay trở lại điểm tiềm năng thấp trên bo mạch, tức là, điểm trả về mặt đất trở lại nguồn cung cấp điện. Dù tín hiệu trả về được gây ra trong khung máy, mặt phẳng nguồn, hay dẫn điện khác, nó sẽ được kéo trở lại mặt đất do sự chênh lệch tiềm năng giữa dẫn điện mặt đất và dẫn điện được giữ ở tiềm năng cao hơn.

Ngoài việc là một đặc tính của hiện tượng rung khi tín hiệu lan truyền, đường trả về của tín hiệu xác định hành vi sau:

• Khả năng nhạy cảm với EMI. Độ tự cảm tạo ra bởi một đường trả về xác định khả năng nhạy cảm với EMI của một mạch. Một mạch với vòng dòng điện lớn sẽ có độ tự cảm nhiễu lớn hơn, khiến nó dễ bị ảnh hưởng bởi EMI bức xạ. Độ tự cảm thấp hơn khi vòng lặp chặt chẽ hơn. Đây là một lý do tại sao các đường dẫn tín hiệu tốc độ cao nên được đặt gần một mặt phẳng tham chiếu trên lớp kề bên.

• Nhiễu trên bảng mạch tín hiệu hỗn hợp. Điện dung nhiễu giữa dẫn truyền tín hiệu và dẫn tham chiếu gần nhất, cũng như vòng lặp tạo ra bởi mạch, xác định phản ứng cảm mà tín hiệu chuyển mạch nhìn thấy. Bởi vì phản ứng cảm là một chức năng của nội dung tần số trong tín hiệu của bạn, đường trở về tín hiệu trở nên khó dự đoán hơn ở tần số vừa phải. Đọc hướng dẫn này để tìm hiểu thêm về thiết kế đường trở về tín hiệu hỗn hợp cho một lớp mặt phẳng đơn.

• Đường dẫn nhiễu chế độ chung. Nhiễu chế độ chung, một khi được gây ra trong một dấu vết nhất định, sẽ cố gắng theo cùng một đường như tín hiệu của bạn trở về mặt đất. Đường trở về mặt đất chính xác mà nhiễu chế độ chung theo dõi phụ thuộc vào nội dung tần số của nó vì điều này xác định phản ứng cảm mà tín hiệu nhìn thấy.

Tình hình trở nên phức tạp hơn khi chúng ta đang định tuyến trong một chồng lớp đa tầng với nhiều lớp mặt phẳng vì dẫn tham chiếu có thể thay đổi dọc theo đường dẫn tín hiệu. Các đại lượng chính xác định mặt phẳng tham chiếu ban đầu là điện dung nhiễu giữa dấu vết tín hiệu và dẫn gần đó và độ tự cảm của mạch. Lưu ý rằng trở kháng nhiễu không bị giới hạn ở các dẫn kề nhau nhờ vào độ tự cảm, có thể tạo ra một đường trở về mặt đất phức tạp trên một bảng mạch đa lớp.

Bạn có thể theo dõi đường dẫn trở về mặt đất cho những dấu vết này không?

Quay Trở Lại với Đường Dẫn Trở Về Mặt Đất Vững Chắc

Nếu bạn đã đọc những gì tôi đã viết ở trên và bạn vẫn tự hỏi điều gì xảy ra với dòng trở lại trong một PCB phức tạp, có lẽ bạn đang tự hỏi: điều gì xảy ra khi dòng điện được kết nối với một mặt đất hoặc dẫn điện khác được nối đất? Tại sao điều này lại xảy ra ngay từ đầu? Cả hai đều là những câu hỏi hợp lệ.

Hiện Tượng Nhiễu Xạ Giữa Các Dẫn Điện Liền Kề

Hãy giải quyết câu hỏi thứ hai trước vì nó giúp giải thích câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên. Vị trí mà đường dẫn trở lại được giới thiệu phụ thuộc vào dung kháng giữa dấu vết tín hiệu và các dẫn điện liền kề, cũng như tự cảm cho mạch được hình thành bởi dấu vết tín hiệu và dẫn điện đang được xem xét. Cùng nhau, những đại lượng này xác định trở kháng mà tín hiệu nhìn thấy.

Đường dẫn có trở kháng thấp nhất (lưu ý, đường dẫn này có thể đi qua chất cách điện hoặc qua không khí!) là hướng mà dòng trở lại theo dõi. Chỉ là đường dẫn có trở kháng thấp nhất (tức là, kết nối mạnh nhất) giữa dấu vết tín hiệu và dẫn điện tiềm năng thường là dẫn điện gần nhất vì đường dẫn này thường cung cấp dung kháng lớn nhất và tự cảm nhỏ nhất.

Mặt Phẳng Nguồn như một Đường Trở Về Mặt Đất

Điều này giải thích tại sao một mặt phẳng nguồn có thể hoạt động như một dẫn tham chiếu nếu nó gần với một dấu vết tín hiệu hơn so với mặt phẳng mặt đất gần nhất. Trở kháng điện dung/điện cảm giữa mặt phẳng nguồn và dấu vết tín hiệu có thể lớn hơn nhiều so với các giá trị đó giữa dấu vết và mặt phẳng mặt đất gần nhất của nó. Câu chuyện mà chúng tôi đã kể ở đây mô tả hiệu quả cách một tín hiệu có thể thay đổi mặt phẳng tham chiếu khi nó đi qua nhiều lớp trong một PCB đa lớp.

Ví dụ về đường trở về cho một tín hiệu đi qua một mặt phẳng nguồn trong một PCB đa lớp.

Bây giờ đến câu hỏi thứ ba: làm thế nào một tín hiệu trở về được ghép nối với một mặt phẳng nguồn quay trở lại một đường trở về có mặt đất? Mặt phẳng nguồn và lớp mặt phẳng mặt đất sẽ có một số điện dung giữa các mặt phẳng, cho phép dòng trở về ghép nối trở lại vào mặt phẳng mặt đất. Trong trường hợp có tụ điện nối giữa cổng nguồn và mặt phẳng mặt đất, chúng cũng sẽ đóng góp một số trở kháng điện dung và điện cảm cho một tín hiệu trở về được kích thích trong mặt phẳng nguồn.

Nhà thiết kế thông minh nên nhận ra rằng, nói chung, bạn không nên đặt đường mạch trên mặt phẳng nguồn trừ khi bạn có thể đảm bảo sự ghép nối trở kháng thấp trở lại với GND cho đường dẫn trở về, đặc biệt là trên các bảng mạch tốc độ cao/tần số cao. Bạn luôn nên thiết kế bảng mạch của mình với việc xem xét đến đường dẫn trở về để giảm thiểu EMI. Thông thường, đường dẫn trở về khi đặt mạch trên mặt phẳng PWR sẽ được cung cấp bởi các decaps gần đó, bất kỳ vias nào kết nối các khu vực nối đất, hoặc dòng điện dịch chuyển có khả năng ghép nối điện dung từ mặt phẳng PWR sang mặt phẳng GND. Nguy hiểm ở đây là đường dẫn trở về khó hoặc không thể theo dõi qua bảng mạch, đặc biệt là trong các cấu hình 4 lớp, điều này sẽ tạo ra một nguồn gây ra EMI mạnh do tạo ra một vòng dòng điện lớn và/hoặc đường dẫn trở về trở kháng cao.

Công cụ thiết kế PCB mạnh mẽ trong Altium Designer^® giờ đây bao gồm công cụ kiểm tra đường dẫn trở về nối đất được tích hợp sẵn trong động cơ DRC. Điều này cho phép bạn định rõ giới hạn về sự lệch lạc giữa một đường mạch và mặt phẳng tham chiếu gần nhất của nó như một quy tắc thiết kế. Sau đó, điều này được tự động kiểm tra bởi các tính năng đặt mạch trong Altium Designer khi bạn tạo lớp của mình. Bạn cũng sẽ có một bộ công cụ đầy đủ để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và chuẩn bị các tài liệu giao hàng cho nhà sản xuất của bạn.

Giờ đây bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ sắp xếp, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất hàng đầu trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.

Tìm hiểu thêm về kiểm tra đường quay về trong Altium Designer