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Este artículo analiza las opciones comunes para una pila de tableros de cuatro capas.

La acumulación de PCB se refiere a la disposición de capas de cobre y capas aislantes que forman una placa de circuito. La acumulación que elegimos puede desempeñar un papel importante en el rendimiento de la placa de varias maneras diferentes. Por ejemplo, un buen apilamiento puede reducir la impedancia de la estructura de tierra del tablero y limitar la radiación y la diafonía.

Este artículo analiza los apilamientos comunes para una placa de cuatro capas.

Apilamientos con planos de potencia y tierra

En las Figuras 1 y 2 se muestran dos apilamientos comunes para tableros de cuatro capas. Para estos dos tableros, el orden de las capas es exactamente el mismo pero su grosor es diferente. Esto puede parecer una modificación menor, pero veremos que un espacio apropiado entre las diferentes capas puede mejorar el rendimiento de la placa.

Figura 1. Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Figura 2. Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Como puede ver, ambas capas de señal están al lado de las capas planas (ya sea un plano de tierra o un plano de potencia). Por lo tanto, la corriente de retorno de una señal dada puede fluir en un plano adyacente. Esto minimiza la inductancia de la ruta de retorno de corriente al minimizar el área del circuito que se crea por el flujo de corriente. Una ruta de retorno de baja inductancia mejora el rendimiento del ruido y reduce la radiación de la placa (tanto las emisiones diferenciales como las de modo común).

En general, una placa de cuatro capas puede tener aproximadamente 20 dB menos de radiación en comparación con el mismo circuito implementado en una placa de dos capas. Mantener las señales cerca de planos sólidos es el factor clave en juego aquí. Por lo tanto, para mejorar aún más el ruido y el rendimiento EMI, podemos hacer que el aislante entre una capa de señal y su plano adyacente sea aún más delgado. Este simple truco nos brinda el apilamiento mejorado que se muestra en la Figura 2, donde el acoplamiento entre las capas de señal y los planos se incrementa a costa de reducir el acoplamiento entre el suelo y los planos de potencia. Esto puede no ser una desventaja seria porque en realidad ninguno de estos dos apilamientos proporciona suficiente acoplamiento de plano a plano. Discutiremos esto con mayor detalle en un minuto. Tenga en cuenta que las dos acumulaciones tienen el mismo grosor general de la placa.

Los apilamientos de las Figuras 1 y 2 se usan comúnmente, pero tienen dos defectos, los cuales surgen del hecho de que los planos de tierra y de potencia no están lo suficientemente cerca uno del otro y, en consecuencia, solo existe una pequeña capacitancia interplanetaria entre ellos.

Inconvenientes de los apilamientos convencionales de cuatro capas

El primer problema con los apilamientos en las Figuras 1 y 2 surge cuando una traza cambia la capa de la capa 1 a la 4 o viceversa. Esto se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Imagen cortesía de Altium.

La figura muestra que cuando un rastro de señal va de la capa 1 a la capa 4 (la línea roja), la corriente de retorno también debe cambiar de plano (la línea azul). Si la frecuencia de la señal es lo suficientemente alta y los planos están muy juntos, la corriente de retorno puede fluir a través de la capacitancia interplane que existe entre los planos de tierra y de potencia. Sin embargo, la ausencia de una conexión conductiva directa para la corriente de retorno crea una interrupción en la ruta de retorno, y podemos imaginar esta interrupción como una impedancia entre los planos (ver Figura 4).

Figura 4. Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Si la capacitancia entre planos no es lo suficientemente grande, los campos eléctricos se extenderán sobre un área relativamente grande de la placa para que la impedancia entre los planos se reduzca y la corriente de retorno pueda fluir de regreso al plano superior. En este caso, los campos creados por esta señal pueden interferir con los campos de las señales cercanas que cambian las capas. Esto no es del todo deseado. Desafortunadamente, en una placa de 0.062 pulgadas y 4 capas, los planos se colocan lejos uno del otro (al menos 0.020 pulgadas, como se muestra en las Figuras 1 y 2) y la capacitancia entre planos es pequeña. Por lo tanto, tendremos la interferencia de campo eléctrico mencionada. Esto puede no conducir a un problema de integridad de la señal, pero ciertamente generaremos más EMI. Es por eso que al trabajar con los apilamientos que se muestran en las Figuras 1 y 2, es mejor evitar cambiar las capas, especialmente para señales de alta frecuencia como los relojes.

A menudo es una buena práctica agregar un condensador de desacoplamiento cerca de una transición para disminuir la impedancia que experimenta la corriente de retorno (consulte la Figura 5). Sin embargo, tales condensadores de desacoplamiento no son efectivos con señales de muy alta frecuencia debido a su baja frecuencia de auto-resonancia. Para una señal de CA con una frecuencia superior a aproximadamente 200-300 MHz, no podemos confiar en un condensador de desacoplamiento para crear una ruta de retorno de baja impedancia. Por lo tanto, necesitamos un condensador de desacoplamiento (por debajo de 200-300 MHz) y una capacitancia entre planos relativamente grande para frecuencias más altas.

Figura 5 Imagen cortesía de Altium.

El problema discutido anteriormente puede evitarse al no cambiar la capa de una señal crítica. Sin embargo, la pequeña capacidad interplanetaria de una placa de cuatro capas conduce a otro problema grave: la entrega de energía. Un IC digital con reloj generalmente necesita grandes corrientes de suministro de energía transitorias. A medida que disminuye el tiempo de subida / bajada de las salidas de IC, necesitamos proporcionar la energía a una tasa más alta. Para proporcionar una fuente de carga, generalmente colocamos condensadores de desacoplamiento muy cerca de cada CI lógico. Sin embargo, hay un problema: a medida que vamos más allá de la frecuencia autorresonante, un condensador de desacoplamiento no puede almacenar y suministrar energía de manera eficiente porque a estas frecuencias, un condensador actuará como un inductor.

Dado que la mayoría de los circuitos integrados actuales tienen tiempos de subida / caída rápidos (alrededor de 500 ps), necesitamos una estructura de desacoplamiento adicional que muestre una frecuencia autorresonante mayor que la de un condensador de desacoplamiento. La capacitancia entre planos de una placa puede ser una estructura de desacoplamiento eficiente, siempre que los planos estén lo suficientemente cerca entre sí para proporcionar suficiente capacitancia. Por lo tanto, además de emplear los condensadores de desacoplamiento de uso común, preferimos tener planos de potencia y tierra cercanos para proporcionar potencia transitoria a los circuitos integrados digitales.

Tenga en cuenta que normalmente no tenemos un aislante delgado entre las capas segunda y tercera de una placa de cuatro capas debido al proceso común de fabricación de la placa. Una placa de cuatro capas con un aislante delgado entre las capas 2 y 3 probablemente costará mucho más que una placa convencional de cuatro capas.

Dos acumulaciones mejoradas

Las figuras 6 y 7 a continuación muestran dos apilamientos mejorados para tableros de cuatro capas.

Figura 6 Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Figura 7 Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Al igual que con los apilamientos de las Figuras 1 y 2, las trazas de señal deben ser adyacentes a un plano y la inductancia de la ruta de retorno actual debe minimizarse. A este respecto, el apilamiento en la Figura 6 puede no ser ideal porque los componentes montados evitarán que tengamos un plano de tierra sólido en la capa 1. Suponiendo que podamos enrutar la mayoría de los rastros de señal sobre partes sólidas de los planos de tierra, Observamos que el aislante entre las capas de señal y los planos es delgado, lo cual es altamente deseable.

Los apilamientos en las Figuras 6 y 7 tienen dos planos de tierra. Esto nos permite tener una estructura de tierra de baja impedancia y reducir la radiación de modo común. Además, en la Figura 6, los planos de tierra encierran las capas de señal. Actuando como un escudo, los aviones pueden contener la radiación de las señales de alta velocidad. Incluso podemos colocar vías de costura en la periferia del tablero para conectar los dos planos de tierra. Esto creará una jaula de Faraday y contendrá más la radiación. Los planos del apilamiento en la Figura 7 no pueden actuar como escudos.

Con estas dos acumulaciones, no tenemos un avión de poder. Podemos usar vertidos de energía o una estructura de energía cuadriculada. Si podemos enrutar los rastros de señal y potencia y montar los componentes en una capa (capa 1), entonces se puede emplear el apilamiento en la Figura 7 (este apilamiento tiene planos de tierra sólidos). Sin embargo, si no tenemos suficiente espacio para todo esto, podemos usar el apilamiento en la Figura 6.

Aunque estas dos acumulaciones no tienen planos de poder sólidos, los derrames de poder están muy cerca de los planos de tierra. Como resultado, la potencia se vierte y los planos de tierra crearán una capacitancia relativamente grande que puede actuar como una estructura de desacoplamiento a altas frecuencias. Rick Hartley, un respetado diseñador de PCB, presenta datos medidos que confirman que el desacoplamiento entre los vertidos de potencia y los planos de las Figuras 6 y 7 supera el desacoplamiento proporcionado por el suelo y los planos de potencia de una placa convencional de cuatro capas (Figuras 1 y 2 ) Utilizando la estructura de desacoplamiento de los apilamientos mejorados junto con los condensadores de desacoplamiento habituales, podemos proporcionar más fácilmente energía transitoria para circuitos integrados digitales de alta velocidad.

Finalmente, con los apilamientos mejorados de las Figuras 6 y 7, las señales de alta velocidad pueden cambiar las capas porque todas las señales están referenciadas a planos de tierra (en los apilamientos convencionales, las señales se hacían referencia a un plano de tierra o una potencia avión). Como resultado, podemos colocar una vía de plano a plano cerca de una vía de transición para proporcionar una ruta de baja impedancia para la corriente de retorno. Para obtener más información, consulte la Sección 16.3.3 del libro Ingeniería de compatibilidad electromagnética.

Conclusión

En este artículo, examinamos varios apilamientos diferentes para tableros de cuatro capas. Vimos que la opción de apilar puede desempeñar un papel importante en el rendimiento de la placa de varias maneras diferentes. Un buen apilamiento puede reducir la impedancia de la estructura de tierra del tablero y limitar la radiación y la diafonía. Además, el apilamiento de la placa puede afectar la entrega de energía transitoria y nuestra estrategia de enrutamiento de señal al cambiar las capas.

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