Cesty jedním směrem neexistují

Jedním z největších mýtů v návrhu desek plošných spojů je ten, který považuje položení plošného spoje od vývodu k vývodu za kompletní spoj. A také že stačí, aby takový plošný spoj splňoval požadavky na zpoždění signálu. Tak to však není, protože proud neteče jen jedním směrem – proud se musí vrátit zpět do svého zdroje, a proto potřebuje uzavřenou proudovou smyčku. Celé nepochopení pochází z faktu, že ve schématu kreslíme spoje jenom mezi vývody součástek, zatímco jejich zemnicí vývod je jen jeden.

Proud teče vždy ve smyčce. Přitom ale neteče až na konec plošného spoje u zátěže, aby si potom začal dělat cestu zpět ke zdroji. Místo toho výchozí zdrojový pulz nabíjí místní parazitní kapacity během své cesty podél trasy plošného spoje a při návratu do zdroje. Když se pulz pohybuje plošným spojem, proud se vrací do svého zdroje, až se takto pohybující se vlna dostane konečně k zátěži. Pokud je návratová cesta narušena a neprobíhá přímo pod plošným spojem, zvýší se plocha návratové smyčky a tím i zpoždění. Ve výsledku to vede ke zvýšenému vyzařování.

Zemnicí plocha na desce plošných spojů není odpadní plochou pro nechtěné signály. Většina návrhářů desek si myslí, že zemnicí plocha jen usnadňuje tažení plošných spojů, když umožňuje uzemnit cokoliv a kdekoliv místo toho, aby se musely táhnout plošné spoje. Obecně platí, že součástka, která vyžaduje uzemnění, může být uzemněna kdekoliv na desce, jen aby byla na zem připojena. Taková úvaha ovšem nebere v úvahu cestu návratu proudu, která je v případě high-speed návrhu desek stejně důležitá jako vlastní plošný spoj.

Ve stejnosměrném obvodu se proud vrací cestou s nejmenším odporem. Při vysokých rychlostech přenosu signálu se ale proud vrací cestou s nejmenší indukčností, což bývá referenční plocha ve formě zemnicí nebo napájecí vrstvy umístěné pod nebo nad daným plošným spojem.

Plochy zemnicí a napájecí vrstvy desky mají v případě high-speed digitálních desek čtyři důležité funkce:

1. Zajišťují napěťovou referenci pro digitální signály.
2. Dodávají stabilní napájení pro všechny logické součástky.
3. Ovládají přeslechy mezi spínanými signály.
4. Slouží jako stínění proti elektromagnetickému záření na vnitřních vrstvách desky.

Na obr. 1 je znázorněn řez plošným spojem typu microstrip (plošný spoj na vnější straně desky) a s ním spojená návratová cesta v měděné ploše (červeně). Tam, kde je elektrické pole (modrá) těsně vázáno na měděnou plochu – přímo pod plošným spojem – vracející se proud vykazuje také těsnou vazbu s plochou. Ale tam, kde se pole šíří všemi směry od plošného spoje, vzniká větší návratová plocha a zvyšuje se indukčnost. Vracející se proud má tendenci vázat se na vodič (plošný spoj) signálu, čímž se snižuje jeho intenzita s druhou mocninou zvětšující se vzdálenosti. V případě plošného spoje typu stripline (vnitřní vrstva desky) je rozvod vracejícího se proudu zúžen velmi těsnou vazbou s plochami nad a pod plošným spojem.

Obr. 1 Rozložení zpětného proudu u plošného spoje typu microstrip

Kvůli povrchovému efektu nemohou vysokofrekvenční pole proniknout měděnou plochou, a tak zpětný proud referenční vrstvy desky bude existovat tam, kde se silokřivky elektrického pole dotýkají plochy. Magnetická pole, která nemohou být ilustrována, obepínají plošný spoj a vyzařují směrem ven.

U plošného spoje typu microstrip je hustota zpětného proudu J(x) dána vztahem:

kde:

• I je celkový proud ve smyčce
• x je horizontální vzdálenost ze středu plošného spoje
• w je šířka plošného spoje
• h je vzdálenost plošného spoje od měděné plochy

Velikost proudu nebude závislá na kmitočtu. Jediným požadavkem je, aby kmitočet byl dostatečně vysoký, a tím i odpor zemnicí vrstvy byl zanedbatelný v porovnání s indukční reaktancí. Typicky se tak stane u kmitočtů více než několik set kHz, takže vlastně na každé digitální desce.

Přeslechy mezi přilehlými plošnými spoji, kde je vazba mezi boky spojů, jsou výsledkem interakce těchto polí:

Rovnice 2 ukazuje, že přeslechy mezi přilehlými plošnými spoji typu microstrip jsou úměrné druhé mocnině výšky nad zemnicí plochou dělené druhou mocninou vzdálenosti mezi spoji. Z toho vyplývá důležitý závěr – přiblížení plošného spoje k zemnicí ploše sníží přeslechy, i když vzdálenost mezi spoji zůstane stejná. To ukazuje na způsob, jak omezit přeslechy, aniž by se musela zvětšit vzdálenost mezi plošnými spoji a tím redukovat plocha desky použitelná pro položení spojů.

Nyní, když jsme dospěli k závěru, že zpětný proud sleduje cestu nejmenší indukčnosti a že má definovanou cestu v referenční napájecí ploše, se musíme podívat na to, jak se v ploše pohybuje.

Jako příklad můžeme vzít osmivrstvou desku pro procesor IMX53 v kombinaci s DDR pamětí. V tomto případě jsou vrstvy 1 & 3 a 6 & 8 použity jako párované vrstvy pro plošné spoje, zemnicí plochy jsou na vrstvách 2 & 7 a napájecí (VDD a VCC) na vrstvách 4 & 5. Protože je zem použita jako reference pro všechny případy, zemnicí via otvory mohou být umístěné blízko přechodu z vrstvy na vrstvu, aby umožnily zpětnému proudu změnit vrstvu tam, kde je to požadováno. Tak je omezen vznik smyček, a tím i vyzařování.

Otázkou by mohlo být, jestli je lepší přidat nahoru i dolů další vrstvu. Pro položení plošných spojů s řízenou impedancí nejsou tyto vrstvy vhodné, ale mohou být použité pro pájecí plošky a plošné spoje, které nejsou kritické. V případě, kdy je potřeba dodržet požadovanou impedanci spoje při přechodu do vrstvy 2, by měly být použity via otvory přímo v pájecích ploškách (via-in-pad) nebo krátký plošný spoj (fanout) o maximální délce asi 5 mm a šířce 0,3 mm.

Co je potřeba udělat, když se musí přejít z jedné referenční vrstvy desky na jinou:

• Pokud je zemnicích ploch více, použijte co nejblíže k místu přechodu stitching via.
• Pokud je jako referenční plocha použitá napájecí vrstva, potom umístěte co nejblíže k místu přechodu blokovací kondenzátory.

Když plánujete rozložení vrstev desky (layer stackup), berte v úvahu, která z vrstev (buď zemnicí, nebo napájecí) bude sloužit pro návrat proudu kritických signálů, a ujistěte se, že zpětný proud nebude mít v cestě na dané vrstvě žádnou překážku. Nejlepší je si představit v dané referenční vrstvě plošné spoje určené pro návrat proudu umístěné pod každým plošným spojem na signálové vrstvě. Referenční vrstva (vrstvy), která sousedí se signálovou vrstvou, umožní, aby zpětný proud tekl co nejblíže k signálovému plošnému spoji, čímž se snižuje indukčnost a plocha smyčky, která tak omezuje elektromagnetické vyzařování.

Obr. 2 Signálová vrstva 3 vzhledem k zemnicí vrstvě 2

Nejlepší způsob, jak na tuto záležitost nahlížet, je dívat se na každou signálovou vrstvu ve vztahu k její referenční vrstvě. Ujistěte se, že v referenční vrstvě nejsou velká vybrání (cut-out) nebo řada plošek (antipad) těsně u sebe, např. u vývodů konektorů, které blokují napojení na referenční plochu a nutí zpětný proud odbočit z trasy plošného spoje signálu.

Nejlepší kontrolou je zobrazení výstupních dat desky, např. Gerber dat, v prohlížeči – ten ukáže věci tak, jak na desce skutečně budou. Zobrazení v programu pro návrh desek není dostatečné, protože neukáže blokující plošky (antipady), termální odlehčení a podobné objekty umístěné v měděných plochách. SMT součástky nezpůsobují žádné problémy, ale vývodové součástky, jako např. konektory, většinou ano.

Mějte rovněž na paměti, že plošné spoje pro přenos rychlých (high-speed) signálů by neměly být položeny na vnějších vrstvách desky. Položení těchto spojů na vnitřní signální vrstvy snižuje vyzařování nejméně o 10 dB. Proto je nejlepší vytáhnout z vývodu součástky krátký plošný spoj (fanout), svést signál do vnitřní vrstvy a nejkratší cestou ho routovat k zátěži.

Závěr – hlavní body

• Proud teče vždy ve smyčce. Při své cestě plošným spojem od zdroje k zátěži nabíjí místní parazitní kapacity a vrací se do svého zdroje.
• Zemnicí plochy nejsou odpadním místem pro nechtěné signály.
• Ve stejnosměrných obvodech se proud vrací cestou nejmenšího odporu.
• V high-speed obvodech se proud vrací cestou nejmenší indukčnosti, což bývá referenční vodivá plocha (zemnicí nebo napájecí vrstva) v místech přímo nad nebo pod plošným spojem.
• Zpětný proud se váže na vodič (plošný spoj) signálu a jeho velikost klesá s mocninou jejich vzdálenosti.
• Vysokofrekvenční pole nemůže kvůli skin efektu vrstvou desky s měděnou plochou proniknout.
• Velikost proudu není závislá na kmitočtu.
• Umístěním plošného spoje blíže k referenční ploše (vrstvě) desky se sníží přeslechy, i když mezery mezi spoji zůstanou stejné.
• Je důležité brát v úvahu otázku návratu zpětného proudu přes vrstvu desky s plochou mědi.

 

Reference:

[1] Barry Olney Beyond Design: The Dumping Ground, www.icd.com.au/articles/Dumping_Ground_PCBAug2011.pdf

[2] Barry Olney Beyond Design: Embedded Signal Routing, http://www.icd.com.au/articles/Embedded_Signal_Routing_PCB-Sept2011.pdf

[3] Henry Ott: Electromagnetic Compatibility Engineering

[4] ICD Stackup Planner / PDN Planner: www.icd.com.au