Электромагнитная совместимость: Многослойные печатные платы

В статье «Учет ЭМС при разработке высокочастотных печатных плат» мы коснулись базовых правил обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) при проектировании многослойных печатных плат. В данной статье мы продолжим рассмотрение этой темы.

Проектирование высокоскоростных многослойных печатных плат

Обычно многослойная плата, помимо сигнальных слоев, имеет выделенные слои питания и земли. Наличие сплошных плоскостей земли и питания упрощает подключение компонентов схемы. Это также уменьшает индуктивность и импеданс, что позволяет работать с высокими рабочими частотами и снижать уровень шумов. На практике оказывается, что при прочих равных условиях четырехслойная плата будет генерировать на 15 дБ меньше шума, чем двухслойная.

С одной стороны, новые технологии, используемые при проектировании и производстве, позволили резко уменьшить размер печатных плат. С другой - рабочие частоты также резко увеличились, что привело к высокой скорости нарастания сигналов при переключениях. В результате геометрические размеры плат начали оказывать значительное влияние на напряжения и токи сигналов.

Высокоскоростные схемы – это схемы, в которых присутствуют высокоскоростные сигналы с крутыми фронтами (с высокой скоростью нарастания). Но как определить, что считать высокой скоростью? Очевидно, что понятие «высокая скорость» относительно. Для раскрытия этого вопроса необходимо сравнивать скорости распространения волны и нарастания сигнала.

Скорость электронов в дорожке печатной платы меньше их скорости в воздухе (которая равна скорости света). Это связано с тем, что поле, окружающее электрон, пронизывая материал ПП, создает сопротивление его движению. Формула 1, приведенная ниже, показывает соотношение между скоростью волны Vw, распространяющейся вдоль дорожки на ПП, и скоростью волны С в вакууме:

Vw = C/?er   (1), 

где er - относительная диэлектрическая проницаемость материала ПП.

Например, скорость распространения электромагнитного поля в проводнике, окруженном воздухом, составляет около 30,5 см (12 дюймов) в наносекунду (нс). Но в случае с дорожкой, расположенной на печатной плате с эпоксидной пропиткой (диэлектрическая проницаемость 4), скорость уменьшается до 15,2 см (6 дюймов) в наносекунду.

Теперь рассмотрим тактовый сигнал, время нарастания которого составляет 1 нс. Если размеры печатной платы превышают половину расстояния, пройденного этим сигналом за 1 нс (то есть больше 7,6 см или 3"), то длина дорожек начнет оказывать воздействие на напряжение. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

На рисунке 1 анализируется распространение типового тактового сигнала со временем нарастания 1 нс. За это время ток, связанный с сигналом, успевает преодолеть расстояние 15,2 см (6"). Каждый раз при изменении направления дорожки или ее ширины возникает отраженная волна. Если размер печатной платы меньше 7,6 см (3"), то отраженная волна вернется к выходу драйвера генератора менее чем через 1 нс (точка X на рис. 1), то есть в тот момент, когда драйвер все еще продолжает передавать сигнал. Из-за инерции драйвера отраженный импульс не будет влиять на формируемый сигнал.

Рис. 1. Задержка распространения

Если же размеры печатной платы (или отрезок дорожки) больше 7,6 см (3"), то отраженный импульс будет возвращаться в момент времени Y. Поскольку фронт уже прошел, то отраженный импульс окажет существенное влияние на формируемый сигнал.

Следовательно, для печатной платы с размерами более 7,6 см (3") сигналы со временем нарастания 1 нс будут считаться высокоскоростными, и для таких случаев требуется особый подход к проектированию.

Структура многослойной печатной платы

Давайте рассмотрим некоторые связанные с многослойными печатными платами термины, которыми мы в дальнейшем будем часто пользоваться.

Структура или Стек слоев печатной платы. Стек печатной платы – это порядок следования проводящих слоев и слоев диэлектрика в многослойной плате.

Слои питания и земли. Многослойные платы почти всегда содержат два сплошных слоя меди: один - для цепи питания (Vcc), а другой - для земли. Использование отдельных слоев для питания и земли снижает импеданс, а также уменьшает площадь токовых петель. В результате по сравнению с двухслойной печатной платой показатели ЭМС простой четырехслойной печатной платы с выделенными слоями земли и питания оказываются лучше на 30 дБ.

Уменьшение краевых полей: правило 20H

Высокочастотные (ВЧ) токи, протекающие от цепи питания к земле, неизбежно генерируют излучение на краях платы. Такие выбросы иногда называют краевыми полями. Их можно уменьшить, если сделать так, чтобы медь слоя земли перекрывала медь слоя питания.

Размеры плоскости земли (слой 3 на рис. 2a) должны превышать размеры плоскости питания на 20 H по всем четырем направлениям, где H – расстояние между плоскостями питания и земли. Это увеличит внутреннюю саморезонансную частоту печатной платы. Сокращение расстояния между GND и VCC также уменьшает краевые поля (рис. 2б). Дальнейшее снижение может быть достигнуто за счет использования развязывающей стенки из переходных отверстий по внешнему периметру слоя VCC и внутри плоскости GND на расстоянии 20 H, где H - расстояние между слоями.

Рис. 2. а) правило 20 H	Рис. 2. б) уменьшение краевых полей

а)

б)

Рис. 2. а) правило 20 H; б) уменьшение краевых полей

Уменьшение перекрестных помех: правило 3W

Перекрестные помехи обусловлены емкостной связью между проводниками. Такая связь возникает, когда высокочастотная дорожка идет параллельно чувствительной дорожке. Перекрестный поток и емкостная связь могут быть уменьшены на 70%, если расстояние между центрами дорожек составляет 3 W, где W – ширина дорожек. В этом случае паразитный поток дорожки замыкается на плоскости земли, а не на соседних дорожках (рис 3).

Рис. 3. Правило 3W

Защитные дорожки в многослойных печатных платах

Проводники, по которым передаются высокочастотные сигналы, например, линии тактирования, могут создавать наводки на соседних дорожках, вывязывая джиттер, способный привести к проблемам в других частях схемы.

Это негативное воздействие может быть уменьшено за счет параллельных заземленных линий по обе стороны от такой шумной дорожки (рис. 4). Расстояние между дорожками должно отвечать правилу 3 W.

Рис. 4. Защитные дорожки земли

Защитная дорожка подключается к земле с обоих концов. Если ее длина слишком большая, следует выполнять подключение к плоскости земли в нескольких точках с шагом l/20, где l – минимальная длина волны сигнала.

Шунтирующие проводники в многослойных печатных платах

Шунтирующий проводник должен быть расположен непосредственно под высокочастотной дорожкой (рис. 4). Его нельзя подключать к земле.

Наилучшая защита от помех может быть получена при одновременном использовании заземленных защитных дорожек и шунтирующих линий. Причем первые обеспечивают защиту, замыкая на себя магнитные поля (показаны пунктирными линиями на рис. 4), а вторые обеспечивают замыкание линий электрического поля.

Слой отражения

Слой отражения представляет собой проводящий слой меди, расположенный под сигнальным слоем в непосредственной близости от него.

Слой отражения обеспечивает низкоимпедансный путь для ВЧ-токов и уменьшает уровень помех, поскольку ВЧ-токи распространяются по нему, а не по воздуху. Слои питания и земли обычно ведут себя как плоскости отражения, хотя для этих целей могут быть предусмотрены отдельные слои.

Индуктивность переходных отверстий

Каждое переходное отверстие вносит дополнительную индуктивность 1 нГн и емкость до 0,5 пФ. На рис. 5 показана эквивалентная схема переходного отверстия. Она состоит из последовательной индуктивности и шунтирующего конденсатора и, следовательно, представляет собой фильтр нижних частот. В итоге переходное отверстие вызывает задержку сигнала и ограничивает максимальную частоту. Очевидно, что при разводке количество переходных отверстий должно быть сведено к минимуму.

Рис. 5. Эквивалентная схема переходного отверстия

Слои земли и питания

Сплошной медный слой для цепей питания и земли, по сути, представляет собой бесконечное число параллельных путей протекания тока и, следовательно, обеспечивает минимально возможную индуктивность. На высоких частотах в сплошных слоях также начинает проявляться скин-эффект, вызывая увеличение резистивной части импеданса.

Плоскость обеспечивает максимальную площадь поверхности и наименьшее возможное сопротивление. Таким образом, сплошной слой земли является самым экономичным способом для снижения импеданса и решения большинства проблем ЭМС.

Функции слоя земли

Сплошной слой земли выполняет следующие функции по обеспечению ЭМС и целостности сигналов:

• Он имеет очень низкий ВЧ-импеданс и, следовательно, может на высоких частотах обеспечивать стабильное напряжение земли без просадок даже при большом количестве устройств и компонентов.
• Возвратные ВЧ-токи, протекающие по цепи земли, выбирают путь с минимальным импедансом (то есть, с наименьшей индуктивностью и максимальной емкостью). Поэтому, когда дорожка расположена над слоем земли, обратные токи будут течь прямо под дорожкой, уменьшая площадь контура, образованного прямым и возвратным токами, тем самым снижая излучение и уменьшая чувствительность к помехам.
• Слой земли, расположенный под дорожкой с ВЧ-сигналом или под шумной ИС, также ведет себя как плоскость отображения. Поля, формируемые ВЧ-сигналами, имеют емкостную связь с отображением дорожки на плоскости. Поэтому они скорее будут сосредоточены внутри печатной платы, а не распространятся наружу. Это также уменьшит уровень синфазных помех.
• Емкостные фильтры для блокировки синфазных помех обычно устанавливаются на входе платы между дорожками и землей. Эти развязывающие конденсаторы обеспечивают идеальный низкоомный путь для синфазных токов на землю.

Размер плоскости земли

Размер плоскости земли должен быть таким, чтобы она не только перекрывала все компоненты и проводники, но и располагалась за их пределами и занимала как можно большую часть печатной платы. Это связано с тем, что хотя прямые токи вынуждены протекать по дорожкам, но возвратные токи, проходящие через плоскость под дорожкой, могут распространяться по любому пути с наименьшим импедансом. Таким образом, плоскость земли должна перекрывать все проводники, причем расстояние от края дорожки до края плоскости земли должно в три раза превышать расстояние между сигнальным слоем и слоем земли или быть в три раза больше ширины дорожки (рис. 6).

Рис. 6. Размеры плоскости земли

Отверстия и разрывы в плоскости земли

Слои земли должны иметь минимум разрывов. В реальных приложениях это практически невозможно, поскольку на плате присутствуют переходные отверстия и связанные с ними зазоры. Наличие отверстий приводит к росту индуктивности земли. Оптимизация разводки может улучшить ситуацию. Во-первых, следует ограничить число переходов между слоями. Во-вторых, уменьшить размеры переходных отверстий (<1 мм) и зазоров. В-третьих, использовать микропереходы.

Оптимизация разрывов слоя земли

Еще одна задача, которую необходимо решить и которая встречается в платах с плотным расположением компонентов, заключается в том, что вырезы от переходных отверстий в земляном слое не должны сливаться друг с другом. В противном случае они могут создавать большие окна, которые будут препятствовать свободному протеканию возвратных токов и снижать эффективность слоя земли. В таких случаях размеры и размещение отверстий должны быть такими, чтобы на слое земли формировалась плотная сеть.

Подключение компонентов к плоскостям питания и земли

Высокий контактный импеданс, вызванный неправильным подключением компонентов к слоям земли или питания, может свести на нет всю пользу от использования сплошных слоев земли и питания. Малая индуктивность подключения (рис. 7) может быть обеспечена при выполнении следующих условий:

• Уменьшение длины и увеличение ширины дорожек между контактными площадками и переходными отверстиями к слою земли. Лучшим вариантом будет полный отказ от таких дорожек и использование переходных отверстий, расположенных прямо на контактных площадках.
• Уменьшение расстояния между слоем земли и слоем компонента, что сократит длину переходного отверстия и тем самым снизит его индуктивность.
• Расположение переходных отверстий с противоположным направлением токов как можно ближе друг к другу, чтобы обеспечить их максимальную взаимную индуктивность.

Рис. 7. Подключение компонентов к плоскостям питания и земли

Расположение компонентов на печатной плате

Известно, что цифровые ИС и генераторы формируют вокруг себя интенсивные поля, которые вызывают синфазные шумы и взаимодействуют с соседними дорожками. Распространение этих полей можно уменьшить, располагая слой земли непосредственно под шумными компонентами. В этом случае земля выступает в качестве плоскости отражения, на которой замыкаются излучаемые поля.

Если размещать шумные микросхемы вблизи края печатной платы, то плоскость земли будет защищать от электромагнитных полей только с одной стороны от ИС. Следовательно, шумные ИС и резонаторы никогда не должны располагаться на краю печатной платы. Как правило, ИС, формирующая цифровые сигналы со временем нарастания две наносекунды, или аналоговые компоненты с частотами более 200 МГц должны быть снабжены сплошной плоскостью земли с перекрытием не менее чем 5 мм от края компонента.

Структура печатной платы

Структура печатной платы является одним из наиболее важных факторов, определяющих уровень электромагнитной совместимости конечного изделия. Принимая решение о порядке расположения различных слоев, следует учитывать следующие рекомендации:

• Сигнальный слой всегда должен сопровождаться сплошным слоем меди, расположенным как можно ближе к нему. Слой отражения уменьшает площадь петли, образованной прямым и возвратным токами.
• Слои питания и земли должны быть расположены максимально близко друг к другу для обеспечения максимальной взаимной емкости и уменьшения уровня шумов по цепи земли.
• Высокоскоростные цепи должны размещаться на внутренних слоях, расположенных между сплошными слоями, которые будут выступать в качестве экранов и ограничивать излучение от высокоскоростных сигналов.
• Рекомендуется использование нескольких слоев земли. Они обеспечат уменьшение импеданса и снизят влияние синфазных помех.

Все вышеперечисленные рекомендации могут быть реализованы при использовании восьмислойной печатной платы. При использовании четырех- и шестислойных плат последние 3 пункта выполнить одновременно не получится и придется искать компромиссные решения, хотя на шестислойной плате можно создать несколько плоскостей земли, если отказаться от одного из сигнальных слоев.

Распределение слоев в четырехслойных печатных платах. При выборе расположения слоев в четырехслойной плате возникает противоречие между вторым и третьим пунктами, указанными выше. Согласно второму пункту, необходимо создать отдельные слои питания и земли. Чем больше перекрытие между плоскостями земли и питания и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше емкость образуемого ими развязывающего конденсатора, и тем эффективнее решается проблема борьбы с генерируемыми помехами.

С другой стороны, если слои питания и земли расположить рядом, то сигнальные дорожки будут располагаться на внешних слоях, что может вызвать рост излучения и повышение чувствительности к помехам. На рис. 8 показана традиционная структура четырехслойной платы. Слои питания и земли (слои 2 и 3) помещены между сигнальными слоями (слои 1 и 4).

Рис. 8. Микрополосковая система

Такой тип распределения слоев называется микрополосковым. Он обеспечивает превосходную развязывающую емкость, создаваемую слоями питания и земли. Эта структура, обладая пониженной индуктивностью, имеет на 20…30 дБ меньший уровень излучения и чувствительности по сравнению с двухслойной платой. Однако, поскольку сигнальные дорожки находятся на внешних слоях, существует повышенная опасность излучения.

Чтобы решить проблему излучения и чрезмерной чувствительности к помехам, необходимо расположить слои питания и земли снаружи платы, а сигнальные слои поместить внутри. Такой тип расположения называется полосковым. Как показано на рис. 9, дорожки на слоях 2 и 3 находятся очень близко и ориентированы перпендикулярно друг другу (для уменьшения перекрестных помех). К сожалению, при таком расположении слоев плоскости земли и питания находятся настолько далеко друг от друга, и их распределенная емкость настолько мала, что емкостная развязка практически отсутствует. Этот недостаток должен быть компенсирован за счет использования больших развязывающих конденсаторов.

Рис. 9. Полосковое расположение

Другим недостатком полосковых линий является повышение сложности ремонта, что особенно важно при разработке прототипов.

Распределение слоев в шестислойной печатной плате. Шестислойная плата предоставляет больше возможностей по обеспечению хороших показателей ЭМС, если, конечно, расположить слои грамотно. На рис. 10 показана структура шестислойной платы. Здесь слои земли и питания находятся в самом центре печатной платы, выше и ниже расположены оставшиеся сигнальные слои. Такая структура не обеспечивает значительного улучшения EMC по сравнению с четырехслойной платой, и единственным преимуществом является наличие двух дополнительных сигнальных слоев.

Рис. 10. Структура шестислойной печатной платы

Некоторое улучшение ЭМС может быть достигнуто за счет использования структуры, представленной на рисунке 11. Здесь порядок следования сигнальных и силовых слоев меняется. Такое решение приводит к снижению качества емкостной развязки, зато обеспечивает хорошее экранирование и защиту от высокоскоростных сигналов, если они вынесены на внутренние слои (слои 4 и 5). Опять-таки, дорожки на этих двух внутренних слоях должны быть перпендикулярны, чтобы избежать перекрестных помех.

Рис. 11. Еще один вариант организации слоев шестислойной печатной платы

Распределение слоев в восьмислойной печатной плате. Симметричная структура восьмислойной печатной платы отвечает всем требованиям ЭМС без каких-либо компромиссов и дополнительных усилий, которые были необходимы при использовании несимметричных структур, рассмотренных выше.

Традиционная структура восьмислойной платы показана на рис. 12. Она состоит из четырех сигнальных и четырех силовых слоев. Поскольку в обеих парах силовых слоев плоскости питания и земли расположены близко друг к другу, то тем самым обеспечивается превосходная развязывающая емкость. Отличное экранирование достигается путем разводки высокоскоростных высокочастотных дорожек на внутренних слоях 4 и 5. Так как дорожки на любом слое имеют в непосредственной близости сплошной слой меди, эффект отображения приводит к малой развязывающей индуктивности. В целом восьмислойная плата обеспечивает наилучшие показатели электромагнитной совместимости, которые более чем на 20 дБ превосходят показатели шестислойной платы.

Рис. 12. Структура восьмислойной печатной платы

Заключение

В статье мы рассмотрели важные аспекты проектирования печатных плат, учет которых необходим для обеспечения целостности сигналов и решения проблем электромагнитных помех. Грамотно спроектированная печатная плата всегда является отправной точкой для достижения высоких показателей ЭМС. Она снижает требования к дополнительным фильтрам и экранам, что вносит значительный вклад в уменьшение стоимости продукта и повышение его конкурентоспособности.

Опубликовано: 10.05.2018