Экспертное руководство: проектирование экранирующих плоскостей для высокоскоростных печатных плат

Функции экранирующих плоскостей

В настоящее время многослойные печатные платы используются в большинстве высокоскоростных схем, и многие системы имеют несколько питающих напряжений, что предъявляет строгие требования к проектированию экранирующих плоскостей, особенно к установлению отношений между несколькими питания/землей. Кроме того, на слое компонентов необходимо проектировать специальные медные покрытия, чтобы предотвратить генерацию РЧ-энергии генераторами и обеспечить отличный теплоотвод для компонентов высокой мощности.

Экранирующие плоскости (image planes) — это медные покрытия, смежные со сигнальными слоями в печатных платах. Их основные функции:

1. Снижение пульсаций питания и ЭМИ (электромагнитных помех). Экранирующие плоскости обеспечивают пути с низким импедансом для обратного тока сигналов, особенно при больших токах в системе распределения питания. Кроме того, они уменьшают площадь замкнутой петли, образованной сигналом и обратным током, снижая ЭМИ.
2. Управление перекрестными помехами (crosstalk) между сигнальными линиями в высокоскоростных цифровых схемах. Перекрестные помехи определяются отношением D/H, где D — расстояние между источником помех и пострадавшим объектом, H — высота экранирующей плоскости между сигнальными слоями. Отношение D/H можно контролировать, меняя значение H, тем самым управляя перекрестными помехами.
3. Управление импедансом. Характеристический импеданс печатных проводников связан с шириной проводников и высотой между проводниками и экранирующими плоскостями. Без экранирующей плоскости импеданс может быть неконтролируемым, что приводит к несоответствию линии передачи и отражению сигналов.

Кроме того, экранирующие плоскости способны контролировать шум от отражений на внешних платах. Признается, что одних только экранирующих плоскостей недостаточно для реализации этих функций — необходимы строгие правила проектирования для достижения ожидаемых целей. Это можно сформулировать так: для контроля шума в высокоскоростных цифровых схемах экранирующие плоскости необходимы, но они не могут работать в одиночку.

Переход обратного тока через слои (Layer Skipping)

В многослойных печатных платах каждый трассировочный слой должен быть смежен с одной экранирующей плоскостью, а обратная цепь сигнала течет по соответствующей экранирующей плоскости. Когда сигнальная линия не проходит через трассировочный слой, обычный метод: сначала сигнальная линия соединяется с трассировочным слоем, затем через металлизированное отверстие соединяется с другим слоем. Таким образом, сигнальная линия переходит с одного слоя на другой, и обратный ток следует по тому же пути. Когда оба слоя — заземляющие, обратный ток может переходить через металлизированные отверстия, соединяющие два слоя, или через заземляющие выводы. Когда один слой — питания, а другой — заземления, единственной возможностью перехода обратного тока между слоями является положение с установленным развязывающим конденсатором. Если нет развязывающего конденсатора или металлизированных отверстий, соединяющих заземляющий слой, переход вынужден совершаться по самому длинному пути, что развязывает обратный ток с другими цепями, вызывая перекрестные помехи и ЭМИ.

Поэтому в процессе проектирования печатных плат переход через слои следует располагать у заземляющих выводов рядом с компонентами или вокруг развязывающего конденсатора. Когда это невозможно, в точке перехода можно разместить заземляющие металлизированные отверстия (переход между двумя заземляющими слоями) или обходной конденсатор (переход между слоем питания и заземления), чтобы обеспечить переход обратного тока.

Разделение плоскостей (Splitting Planes)

При использовании многослойных печатных платов иногда необходимо создать область без медной фольги определенной ширины, разделяя интегрированную экранирующую плоскость на несколько независимых частей — это называется разделение плоскостей.

Разделение плоскостей обычно используется для предотвращения помех, воздействующих на чувствительные цепи, и изоляции разных опорных напряжений, например, предотвращения попадания цифрового шума в аналоговые, аудио, I/O зоны и изоляции между напряжениями питания 5 В и 3,3 В.

Разделение плоскостей можно классифицировать на полное и неполное. Полное разделение означает полную изоляцию между слоями питания и заземления после разделения. Неполное — полная изоляция между слоями питания, тогда как заземляющие слои соединены «мостиками». Выбор между полным и неполным разделением зависит от того, есть ли сигнальная связь между разделенными плоскостями.

Примеры разделения плоскостей

Рисунок 1 показывает часть дизайна экранирующих плоскостей аналого-цифровой смешанной схемы тестовой платформы. Видеоаналоговый вход передается в FPGA через АЦП и выходит как ЦАП. И АЦП, и ЦАП используют независимые источники питания. Цифровые компоненты занимают большую часть платы, аналоговые — небольшую. Однако все они являются важными частями, влияющими на производительность всей системы. Поэтому с ними необходимо обращаться с особой заботой. Идеально, чтобы шум цифровой части не попадал в аналоговую. Однако некоторые сигналы от АЦП и ЦАП подключены к FPGA цифровой части. Для обеспечения обратного тока этих соединенных сигналов питание цифровой и аналоговой части должно быть полностью изолировано, а заземление цифровой и аналоговой части — неполностью изолировано, чтобы минимизировать влияние цифровой части на аналоговую.

Все линии от цифровой части к аналоговой должны проходить через мостик, размер проема которого должен быть именно подходящим для прохождения необходимых проводов, чтобы обратный ток данных мог возвращаться через мостик, избегая помех к другим сигналам из-за извилистости обратного пути. В этом дизайне заземления АЦП и ЦАП полностью изолированы друг от друга.

Проблемы при разделении плоскостей

а. Перекрытие изоляционных слоев

В многослойных печатных платах разделение плоскостей обычно используется для изоляции разных источников питания. Обычно соответствующие заземляющие слои этих питаний изолированы друг от друга, то есть у каждого питания свой опорный слой. В процессе проектирования печатных плат необходимо избегать перекрытия изоляционных слоев. Например, в большинстве многослойных печатных плат слои питания и заземления аналоговой и цифровой частей изолированы друг от друга. Слой аналогового питания и слой цифрового заземления не должны перекрываться в пространстве, как на рисунке 2.

Если появляется перекрывающийся изоляционный слой, в области перекрытия возникает небольшая паразитная емкость C1. Эта емкость передает РЧ-энергию с одного слоя на другой изолированный, статический и независимый слой, снижая эффективность изоляции.

б. Размещение развязывающих конденсаторов

Для фильтрации высокочастотного шума, генерируемого высокоскоростными компонентами, на печатных платах размещается много развязывающих конденсаторов. Если в печатных платах есть разделение плоскостей, при разводке может возникнуть ситуация, когда заземляющие выводы развязывающего конденсатора не соединены с другими опорными заземляющими слоями, а с соответствующим заземляющим слоем. Такая ошибка может привести к развязыванию шума с одного слоя на другой, что похоже на перекрытие разделенных плоскостей. Поэтому эту проблему нужно решать на этапе проектирования. В качестве примера снова возьмем аналого-цифровую смешанную схему. Аналоговое питание вводится из цифровой части через ферритовое колечко, C1 — развязывающая емкость цифровой части. На рисунке 3A выводы питания C1 соединены с цифровым питанием, а заземляющие — с аналоговым заземлением, что приводит к развязыванию высокочастотного цифрового шума в чувствительной аналоговой части — это неправильное соединение. Рисунок 3B показывает правильное соединение развязывающего конденсатора.

в. Одноточечное заземление

Когда опорные слои разных питаний соединяются вместе, необходимо обеспечить одноточечное заземление. В примере аналого-цифровой смешанной схемы печатные платы делятся на цифровую и аналоговую части, и у обоих — цифрового и аналогового заземления — есть как минимум две точки соединения, из-за чего шумовой сигнал может образовывать циркуляцию между двумя опорными слоями через эти две точки — так называемый «заземляющий контур» (ground loop). Заземляющий контур приводит к шуму, ЭМИ, потреблению энергии и трудностям теплоотвода. Простое решение: достаточно обеспечить только одну точку соединения между опорными слоями, чтобы контур не мог образоваться.

Локальные заземляющие слои

Как часть экранирующих плоскостей, локальные заземляющие слои относятся к медному покрытию на верхней поверхности печатных плат, напрямую соединенному с внутренним заземляющим слоем. Их основная функция — перехват РЧ-магнитного потока, генерируемого внутри некоторых ключевых чипов (например, генераторов), или использование для рассеивания мощности.

Для получения отличной характеристики генераторы, кварцевые резонаторы и тактовые буферы должны монтироваться на независимом локальном заземляющем слое. Причины:

1. Если генератор упакован в металлический корпус, РЧ-ток, генерируемый внутри металлического корпуса, может быть настолько большим, что его заземляющие выводы не смогут вывести большой ток на землю способом с низким энергопотреблением. В результате металлический корпус становится монохвибровым антенным устройством.
2. Если при монтаже генератора на печатную плату используется поверхностный монтаж (SMT), проблема усугубляется, так как в SMT-корпусах обычно используется пластиковый материал, препятствующий выводу РЧ-тока на точку заземления. В итоге РЧ-ток, генерируемый внутри корпуса, излучается в свободное пространство и развязывается с другими компонентами.
3. Обычные генераторы способны управлять тактовыми буферами, которые относятся к компонентам сверхвысокой скорости и крутым фронтам, генерируя большое количество РЧ-тока, что может привести к функциональным сбоям.

Если локальный заземляющий слой собирается в генераторе и тактовой цепи, экранирующие плоскости обеспечиваются для перехвата РЧ-энергии, генерируемой внутри генератора и соответствующих цепей, снижая РЧ-излучение.

Правило 20-H

Как эмпирическое правило, правило 20-H описывает, что в многослойных печатных платах с высокой плотностью, для уменьшения электромагнитной энергии, излучаемой в свободное пространство печатными платами, размер слоя питания должен быть меньше размера слоя заземления на 20H, где H — расстояние между двумя слоями. На рисунке 4 левая часть показывает слой питания/заземления без специального проектирования, где краевое излучение настолько сильно, что влияет на функции смежных цепей. Правая часть показывает ситуацию РЧ-излучения при уменьшении площади слоя питания на X-H. Видно, что заземляющий слой притягивает много силовых линий, и энергия РЧ-излучения уменьшается. Согласно результатам экспериментов, сила РЧ-излучения начинает снижаться от 10-H; при 20-H заземление способно притягивать 70% магнитного потока; при 100-H магнитная сила снижается на 98%.

Естественно, правило 20-H не идеально для всех структур печатных плат. Эффективность 20-H зависит от рабочей частоты, физических размеров слоя питания/заземления и расстояния между ними — последние два элемента определяют САЧ (саморезонансную частоту) печатной платы. Исследования показывают, что когда печатная плата работает на любой САЧ, правило 20-H не работает, и заземление не притягивает излучаемую энергию. Более того, генерируется много излучаемой энергии. Поэтому в практических высокоскоростных схемах конкретные ситуации должны учитываться при выборе правила 20-H.

Полезные ресурсы

• Советы по разводке высокоскоростных печатных плат
• Техники разводки высокоскоростных печатных плат для снижения влияния ЭМИ
• Недопонимания и стратегии в проектировании высокоскоростных печатных плат
• Дифференциальная изометрическая обработка и симуляционная верификация проектирования высокоскоростных печатных плат
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки