L'uso di piani terrestri e via per minimizzare EMI in PCB

Come aumentano le velocità dell'orologio e le densità dei componenti, anche le sovratensioni del layout minori possono causare emissioni irradiate o problemi di suscettibilità che portano a malfunzionamenti del sistema, corruzione dei dati e guasti di conformità costosi.

Piani terrestri: Fondazione di controllo dell'IME

Un piano terra è un'area di rame continua su uno strato PCB che funge da tensione di riferimento comune per tutti i circuiti. La sua funzione primaria è quella di fornire un percorso di ritorno per la corrente con impedenza estremamente bassa, in particolare ad alte frequenze dove l'effetto della pelle confina corrente alla superficie dei conduttori.

  • Percorso di ritorno a bassa induttanza:[ Le correnti di segnale ritornano attraverso il piano direttamente sotto la traccia, riducendo al minimo l'induttanza del ciclo e le emissioni irradiate.
  • Effetto aereo di immagine:[] Il piano terra riflette le onde elettromagnetiche, limitando i campi tra la traccia e l'aereo.
  • Shielding:[[] Un piano terra su uno strato esterno può proteggere i componenti sensibili dalle fonti di rumore esterne e impedire che il rumore interno scappi.
  • Piante di riferimento per la distribuzione di energia:[ Quando utilizzato in combinazione con un piano di alimentazione, forma una capacità distribuita che aiuta il rumore ad alta frequenza decouple.

Tipi di piani terrestri

Non tutti i piani di terra sono identici. La scelta tra una colata di rame solido e un modello di griglia o infilato dipende da vincoli di produzione e requisiti applicativi. I piani solidi offrono la minore impedenza e migliore schermatura, ma in schede multistrato con alta densità di rame, la gestione termica può diventare un problema.

Migliori Pratiche per il Progetto Piano terra

  • Avoid splitting ground planes:] Spalato un piano terra in sezioni analogiche e digitali è un errore comune. I design moderni misti-segnali funzionano meglio con un unico piano terra ininterrotto. Spalato crea antenne slot che irradiano a frequenze di risonanza slot, degradando le prestazioni EMI. Invece, separato analogico e digitale
  • Place piane di terra vicino a livelli di segnale:[ In uno stack-up multistrato, mantenendo il piano terra direttamente adiacente allo strato di segnale riduce l'area di loop e minimizza l'impedenza. Ad esempio, una scheda a quattro strati con segnali in alto e in basso dovrebbe avere terreno su strato 2 e l'alimentazione su strato 3, o viceversa.
  • Assicurarsi un'adeguata cucitura:[] Quando esistono piani di terra su più strati, devono essere collegati con più vie poste ad intervalli regolari, soprattutto intorno al perimetro della scheda e vicino a tracce ad alta velocità. Senza cuciture, le isole di terra possono formare che sconfiggere lo scopo di un riferimento continuo.
  • Usare piani di terra sotto generatori di clock e oscillatori:[ Questi componenti sono fonti famose di EMI. Un piano di terra solido sotto di loro, insieme a tracce di guardia e tramite recinzioni, aiuta a contenere i campi.

Vias: I connettori che si sovrappongono le emissioni

Le vie sono piccole fori a piastre che interconnettono diversi strati di un PCB. Sono essenziali per stabilire connessioni a bassa induttanza tra piani di terra, ma introducono anche induttanza parassita e capacità che possono influenzare la qualità del segnale e l'IME. Capire le caratteristiche di diversi tipi e come posizionarli in modo ottimale è la chiave di un design di successo.

Via Tipi e loro impatto sull'IME

  • Le vie del foro: Questi vanno dal livello superiore allo strato inferiore. Hanno una maggiore induttanza a causa della loro lunghezza, ma sono le più facili da produrre. Per cucire a terra, più vie di foro poste in parallelo riducono l'induttanza generale e migliorano la soppressione dell'EMI.
  • Le vie nascoste e sepolte:[] Le vie abbagliate collegano uno strato esterno a uno strato interno, mentre le vie sepolte collegano solo gli strati interni, riducendo l'induttanza parassita rispetto alle vie attraverso il foro perché le stube sono più corte, e sono comunemente utilizzate in disegni densi e ad alta frequenza dove ogni picosecondo conta.
  • Microvias:[ Il più piccolo tipo, tipicamente formato da perforazione laser in pannelli ad alta densità di interconnessione (HDI). La loro bassa induttanza li rende eccellenti per fornire connessioni a terra direttamente sotto IC e per tecniche via-in-pad che decouple potenza senza lunghe tracce.

Effetti parassitari e come Mitigate Them

Ogni via ha una piccola quantità di induttanza di serie (tipicamente 0,5-1 nH per una via standard di 0,3 mm) e una capacità per i piani circostanti.A alte frequenze, questa induttanza può aumentare l'impedenza di terra, sconfiggendo l'obiettivo di bassa impedenza di un piano di terra.

  • Utilizzare più vie in parallelo: L'induzione totale di n vias in parallelo è di circa L/n (con un certo accoppiamento) per aree critiche (ad esempio, vicino a commutare IC, tracce di orologio, perni di connettore), utilizzare almeno due o tre terreni.
  • Continuate a tenere sotto toppa:[] Una testa è la porzione inutilizzata di una via che si estende oltre i livelli collegati. Le lunghe stube agiscono come antenne di risonanza a determinate frequenze.
  • Ottimizzare tramite spaziatura:[] Quando si cuceno piani a terra lungo il bordo di una tavola, lo spazio passa ad intervalli non superiori a 1/20 della lunghezza d'onda della frequenza più alta di preoccupazione. Per un segnale di 1 GHz, questo significa circa 5 mm di distanza. Per le emissioni comuni (30 MHz a 1 GHz), una spaziatura di 1/8 pollici (3 mm) o più stretta.

Via Fencing per lo Scudo

Una via recinzione è una fila di viale strettamente distanziate che circonda un'area sensibile o una traccia rumorosa. Agisce come una parete di rame continua che contiene campi elettromagnetici. Questa tecnica è particolarmente efficace per:

  • Ridurre il crosstalk tra tracce adiacenti:[] L'impostazione di una via di recinzione tra due linee ad alta velocità può migliorare l'isolamento di 10-20 dB.
  • Segnali di orologio di scorrimento:[ Una via recinzione intorno al percorso di traccia dell'orologio impedisce la radiazione ad altre parti della scheda.
  • Schemi analogici di chiusura:[ In disegni misti, una via recinzione può separare le sezioni analogiche e digitali pur mantenendo un piano terra comune sotto la recinzione.

Progettare le migliori pratiche per piani terra e via in EMI Mitigation

Le seguenti pratiche sintetizzano i principi discussi in precedenza in una metodologia di progettazione coerente, che dovrebbero essere adattati in base alla specifica tecnologia del bordo, alla gamma di frequenze e ai requisiti normativi (ad esempio, FCC, CISPR).

Layer Stack-Up e Posizionamento dell'aereo

  • Utilizzare almeno uno stack-up a quattro strati per i disegni con segnali ad alta velocità (frequenze a ore superiori ai 50 MHz, tassi di bordo inferiori a 1 ns). Dedicate uno strato come piano terra solido e un altro come piano di alimentazione. Il piano terra dovrebbe essere adiacente allo strato contenente i segnali più critici.
  • Per le tavole a due strati, utilizzare un versare a terra sul livello inferiore come vicino alle tracce del segnale superiore possibile. Stitch il terreno versare al livello superiore terra con più vie lungo il percorso del segnale. Anche un piano terra parziale è migliore di nessuno.
  • Evitare di posizionare i piani di potenza e di terra accanto all'altro nello stack-up se il dielettrico è molto sottile, in quanto questo può creare alta capacità che riduce il rumore di potenza, ma può anche accoppiare il rumore tra i piani attraverso il dielettrico.

Gestione corrente di ritorno

Le correnti di segnale ritornano sempre attraverso il percorso di minor impedenza, che alle alte frequenze è direttamente sotto la traccia del segnale sul piano terra adiacente. Se il piano terra ha una slot o discontinuità, la corrente di ritorno deve deviare, aumentando l'area del loop e la radiazione.

  • Se un segnale deve cambiare gli strati, fornire un paio di via vicino alla transizione dello strato: uno per il segnale e uno per la corrente di ritorno (spesso un terreno via).
  • Quando si attraversa una divisione nel piano terra, utilizzare i condensatori di cucitura o indirizzare il segnale intorno alla divisione. Ancora meglio, evitare scissioni del tutto. Se una divisione è inevitabile (ad esempio, per un gap di isolamento ad alta tensione), posizionare la traccia del segnale sopra il solo se è molto inferiore alla frequenza di risonanza della slot.

Via Placement Around Components

Componenti generanti rumore come regolatori di commutazione, oscillatori di orologio e FPGAs richiedono un'attenzione speciale:

  • Surround il componente con un anello di terra tramites[] sul livello superiore, che si collega al piano terra interno, creando un terreno di bassa impedenza locale e contiene emissioni di campo vicino.
  • I condensatori di decoupling del pilace il più vicino possibile ai perni di alimentazione,[[] con brevi tracce alla potenza e al terreno tramite pads. Il terreno tramite per ogni condensatore dovrebbe connettersi direttamente al piano terra senza ulteriori tracce di lunghezza.
  • Utilizzare più vie per ogni pad di terra[[]] di un componente (ad esempio, pastiglie termiche dei pacchetti QFN).

Perimetro di messa a terra e connessione del telaio

Per gli alloggiamenti e le custodie schermate, il piano terra PCB dovrebbe essere collegato al terreno del telaio in più punti. Utilizzare un anello di via intorno al bordo del bordo (spesso chiamato "anello di protezione") per creare una connessione a bassa impedenza al telaio.

Considerazioni reali e scambi commerciali

Disegni digitali ad alta velocità contro RF

Nei circuiti digitali ad alta velocità (ad esempio PCIe, DDR, USB 3.0), l'accento è sul minimizzare i loop di corrente di ritorno e il controllo dell'impedenza. I piani terra devono essere solidi sotto ogni coppia differenziale, e tramite cuciture è fondamentale dove i segnali cambiano gli strati. Nei progetti RF, il piano terra serve anche come riferimento della linea di trasmissione.

Gestione termica

I piani di rame conducono calore, ma i piani di terra densi possono ostacolare la pagina di guerra del bordo durante la saldatura del riflusso se la distribuzione del rame è sbilanciata. I progettisti possono avere bisogno di aggiungere piccoli vuoti o slot per il sollievo termico, ma queste slot possono diventare problemi EMI se tagliano attraverso i percorsi del segnale. Il compromesso è quello di garantire che eventuali lacune nel piano terra sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda della frequenza più alta, e di posizionare la punti di cucitura tra le aree di rame.

Costo e produzione

Per i prodotti a basso costo, un bordo a quattro strati con viali a foro passante può essere il miglior equilibrio. Per i progetti ad alta affidabilità o ad alta velocità, l'investimento in tecnologia avanzata spesso paga in EMI ridotto, meno guasti di prova EMC e più breve time-to-market. Molti test di pre-compliance EMC possono essere evitati con una strategia di investimento adeguata in piano di fronte.

Conclusioni

I piani e le vie terrestri non sono semplicemente elementi passivi in un layout PCB; sono strumenti attivi per la gestione dell'energia elettromagnetica. Un piano terra ben progettato fornisce un riferimento a bassa induttanza e protegge i segnali sensibili, mentre le vie strategicamente posizionate assicurano che il terreno continui senza interruzioni su strati e componenti.

Come i sistemi elettronici continuano a funzionare a frequenze più elevate e con un imballaggio più stretto, i fondamenti del piano terra e via design diventano ancora più critici. Gli strumenti di simulazione come Ansys HFSS, CST Studio Suite, e ancora più semplici risolutori di campo integrati in strumenti di layout PCB possono aiutare a convalidare l'efficacia di queste tecniche prima di fabbricazione.