Проектируем в Altium Designer четырехслойный стек печатной платы с импедансом 50 Ом

Проектируем высокоскоростные платы в Altium Designer

Разработчики, которые перешли с двухслойной платы на четырехслойную, вероятно, готовы начать работать с плоскостями питания и заземления. Чтобы помочь вам в разработке вашего проекта существует стандартный стек, который рекомендуют большинство из производителей.

Базовый Stackup, который вы часто будете видеть рекомендуемым, — это стек типа SIG/GND/PWR/SIG, где внутренние слои представляют собой плоскости или большие многоугольники. Для многих типов проектов это нормально, если вы не допускаете простых ошибок в компоновке и маршрутизации.

Если вам нужно сделать что-то более сложное, например размещение и разводку высокоскоростных компонентов на обеих сторонах платы, вам придется использовать альтернативный Stackup. Типичная ошибка маршрутизации, приводящая к созданию базового 4-х слойного стека, заключается в маршрутизации высокоскоростных сигналов между поверхностными слоями без обеспечения четкого обратного пути, что приводит к большому излучению электромагнитных помех от платы. Вместо этого вам следует использовать один из этих альтернативных 4-слойных стеков для создания стека и разводки печатной платы.

Stackup #1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

В этой структуре используется заземление на внешних слоях для обеспечения высокой защиты от внешних электромагнитных помех. Данный Stackup также может обеспечить легкий и удобный путь для электростатического разряда обратно к GND и, в конечном итоге, к корпусу устройства или земле без необходимости следовать по пути через переходное отверстие к внутреннему слою.

Этот тип конструкции с заземлением на внешних слоях и низкоомным соединением с землей напрямую с помощью дорожек определенно является самой безопасной конструкцией с точки зрения электромагнитных помех и электростатического разряда. При необходимости он также хорошо масштабируется до большего количества слоев.

Чтобы устранить проблему перекрестных помех, рассмотрите возможность инвертирования этого стека, как показано ниже.

Stackup #2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

На мой взгляд, этот стек предпочтителен, особенно для любой платы, где высокоскоростные сигналы должны передаваться между двумя поверхностными слоями платы.

Этот стек представляет собой просто инверсию предыдущего стека. Однако его функция другая, и он не обязательно предназначен для обеспечения высокой изоляции от внешних источников шума. Вместо этого это лучший вариант для систем, которым требуются высокоскоростные компоненты и разводка на обеих сторонах платы. Также легко спроектировать этот четырехслойный блок для контролируемого импеданса 50 Ом. На финальном этапе обязательно соедините плоскости GND с переходными отверстиями рядом с местом перехода сигнала.

Компромиссом этого стека является более низкое экранирование сигналов на внешнем слое. Сигналы на каждой стороне платы экранированы друг от друга, но не от внешних источников излучения.

Почему рассмотренные выше стеки лучше подходят для несимметричных высокоскоростных сигналов

Стандартный стек SIG/PWR/GND/SIG для 4-слойной платы по-прежнему подходит для высокой скорости, но вы можете надежно поддерживать цифровую передачу от средней до высокой скорости только на одной стороне платы. Это связано с парой слоев SIG/GND, которая идеально подходит для цифровых сигналов; сигнальный уровень, примыкающий к слою GND, является слоем, который следует использовать для цифровых технологий по следующим причинам:

• Контролируемый импеданс: близкое расстояние между слоем GND и слоем SIG позволяет определять несимметричные дорожки с контролируемым импедансом до 50 Ом (или другого импеданса), не делая дорожки чрезмерно широкими.
• Экранирование: стек SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR будет иметь самую высокую защиту от внутреннего шума и межуровневых перекрестных помех, тогда как инверсный стек будет иметь самую высокую защиту от внешнего шума, но при неправильной маршрутизации будет иметь внутренние перекрестные помехи. .
• Четкий обратный путь: обратный путь с емкостной связью имеет низкий импеданс, поскольку он возбуждается непосредственно в заземляющем слое. Сравните это с парой слоев SIG/PWR, которая представляет собой обратный путь с высоким импедансом или очень большую петлю обратного тока, генерирующую электромагнитные помехи.

Основная причина, по которой вы увидите аргументы в пользу использования одного из этих альтернативных стеков, — это последняя точка в этом списке, где необходимо указать обратный путь. Обратный путь, возникающий в плоскости мощности, непредсказуем и может быть очень большим.

Чтобы попытаться уменьшить площадь контура и сопротивление обратного пути для цифровых сигналов, одним из способов может быть нанесение медной заливки на поверхностный слой вокруг ваших дорожек над плоскостью питания. Однако емкостная связь между трассой и сигналом может быть слабой, и нет никакой гарантии значительного снижения электромагнитных помех.

Хотя у вас есть только один идеальный уровень для цифровых сигналов, а не два, стандартный стек SIG/PWR/GND/SIG имеет и другие преимущества. Используя выделенную плоскость питания, вы все равно можете пропускать более высокий ток, чем при использовании медной заливки, используемой для маршрутизации питания; это было бы полезно в энергосистеме, требующей некоторой схемы цифрового управления. Задний слой можно использовать для размещения множества других компонентов, таких как разъемы или пассивные компоненты.

Важный вывод по поводу создания стандартной 4-слойной конструкции стека, особенно в отношении размещения питания на 4-слойной плате, заключается в следующем: включение выделенного слоя питания не приведет к автоматическому провалу вашей конструкции при тестировании на ЭМС. Однако не думайте, что вы можете маршрутизировать цифровые сигналы так, как захотите, только потому, что вы маршрутизируете их по единой плоскости мощности. Гораздо важнее понять, как обратный путь распространяется в плоскости питания и как он в конечном итоге соединяется с землей через обратный путь с высоким импедансом.

Независимо от того, какой четырехслойный стек печатной платы вы хотите создать, простые в использовании инструменты проектирования в CircuitMaker помогут вам быстро настроить стек и создать разводку печатной платы. Все пользователи Altium Designer могут создавать схемы, макеты печатных плат и производственную документацию, необходимую для перехода от идеи к производству с помощью инструментов CircuitMaker. Пользователи также имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365, где они могут загружать и хранить проектные данные в облаке, а также легко просматривать проекты через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните использовать CircuitMaker сегодня и следите за обновлениями нового CircuitMaker Pro от Altium.

Источник: https://resources.altium.com/p/two-alternative-4-layer-pcb-stackups-50-o...

Softprom — дистрибьютор Altium.