Guia de Especialista: Projetando Planos de Imagem (Image Planes) para PCBs de Alta Velocidade

Atualmente, PCBs multicamadas são usados na maioria dos sistemas de circuito de alta velocidade e muitos sistemas de circuito têm numerosas potências de operação, fornecendo requisitos rigorosos ao design de planos de imagem, especialmente o estabelecimento de relações entre múltiplos planos de potência/ground. Além disso, superfície de cobre revestida especial precisa ser projetada no design de camada de dispositivo para impedir que osciladores produzam energia RF (radiofrequência) e fornecer excelente dissipação de calor para componentes de alta potência.

Funções dos Planos de Imagem

Planos de imagem são uma superfície de cobre revestida adjacente a camadas de sinal em placas de circuito impresso. As principais funções dos planos de imagem incluem:

1. Reduzindo ruído de retorno e EMI (Interferência Eletromagnética). Planos de imagem fornecem caminhos com baixa impedância para retorno de sinal, especialmente quando grande corrente flui no sistema de distribuição de potência. Além disso, eles diminuem a área de anel fechado formada por sinal e retorno, de modo que EMI diminui.
2. Controlando crosstalk entre linhas de sinal em circuito digital de alta velocidade. Crosstalk é determinado pela razão D/H em que D refere-se à distância entre fonte de interferência e objeto interferido e H refere-se à altura dos planos de imagem entre camadas de sinal. A razão D/H pode ser controlada alterando o valor de H, de modo que o crosstalk entre linhas de sinal será finalmente controlado.
3. Controlando impedância. A impedância característica do fio impresso está relacionada à largura dos fios e à altura entre fios e planos de imagem. Se não houver plano de imagem, é possível que a impedância não possa ser controlada, o que leva à falha de correspondência de linha de transmissão e reflexão de sinal.

Além disso, planos de imagem também são capazes de controlar o ruído de reflexão para placas externas. Tem que ser reconhecido que planos de imagem sozinhos não são suficientes para as implementações daquelas funções; regras de design estritas devem ser suplementadas para atingir metas esperadas. Este fato pode ser colocado como: para controlar ruído em circuito digital de alta velocidade, planos de imagem são essenciais, mas não podem funcionar sozinhos.

Salto de Camada (Layer Skipping) do Retorno de Sinal

Em PCBs multicamadas, cada camada de layout deve ser adjacente a um plano de imagem e o circuito de retorno de sinal flui no plano de imagem correspondente. Quando uma linha de sinal não passa através de uma camada de layout, o método ordinário é que primeiro a linha de sinal é conectada a uma camada de layout e então a linha de sinal é conectada a outra camada por furos passantes. Portanto, a linha de sinal salta de uma camada para outra, assim como a corrente de retorno seguindo o mesmo caminho. Quando ambas as camadas são camadas de ground, a corrente de retorno é capaz de pular por furos passantes conectando duas camadas ou pinos de ground. Quando uma camada é camada de potência e a outra é camada de ground, a única oportunidade de salto da corrente de retorno entre camadas é a posição com capacitor de desacoplamento colocado. Se não houver capacitor de desacoplamento ou furos passantes conectando a camada de ground, o salto deve ser feito pela corrente de retorno que tem que seguir o caminho mais longo, o que faz a corrente de retorno desacoplar com outros circuitos, de modo que crosstalk e EMI serão causados.

Como resultado, no processo de design de PCB, salto de camada deve ser definido nos pinos de ground adjacentes a componentes ou ao redor de capacitor de desacoplamento, na melhor das hipóteses. Quando isso não puder se concretizar, furos passantes de ground (salto entre duas camadas de ground) ou capacitor de bypass (salto entre uma camada de potência e uma de ground) podem ser colocados no ponto de salto para fazer a corrente de retorno pular.

Divisão de Planos (Splitting Planes)

No processo de uso de PCBs multicamadas, às vezes é necessário gerar uma área sem folha de cobre com certa largura, dividindo um plano de imagem integrado em várias partes independentes, o que é chamado de divisão de planos.

A divisão de planos é geralmente usada para impedir ruído interferindo circuitos sensíveis e isolar diferentes tensões de referência, como impedir ruído digital entrando em área analógica, áudio, I/O e isolamento entre tensões de potência 5 V e 3,3 V.

A divisão de planos pode ser classificada em divisão completa e divisão incompleta. A primeira refere-se ao isolamento completo entre camadas de potência e ground após a divisão. A segunda refere-se ao isolamento completo entre camadas de potência enquanto camadas de ground são conectadas por "pontes". Se usar divisão completa ou incompleta depende se há conexão de sinal entre planos divididos.

Exemplos de Divisão de Planos

A Figura 1 é parte do design de planos de imagem de circuito misto analógico e digital de uma plataforma de teste. Entrada analógica de vídeo é transmitida para FPGA pela conversão de AD e saída como conversão DA. Ambos AD e DA usam componente de potência independente para fornecer potência. Componentes digitais respondem pela maior parte do espaço da placa enquanto componentes analógicos respondem apenas por uma pequena parte. No entanto, todos eles são partes essenciais que são importantes para o desempenho de todo o sistema. Portanto, muito cuidado deve ser tomado no processo de lidar com aqueles componentes. É ideal que o ruído da parte digital não entre na parte analógica. No entanto, alguns sinais de conversores AD e DA estão conectados a FPGA da parte digital. Para garantir o retorno desses sinais conectados, potência digital e analógica devem ser completamente isoladas enquanto ground digital e analógico devem ser incompletamente isolados, de modo que a influência da parte analógica da parte digital seja diminuída ao mínimo.

Todas as linhas da parte digital para analógica devem passar pela ponte cujo tamanho de abertura deve ser apenas adequado para a passagem dos fios requeridos, de modo que o retorno de sinal de dados será capaz de retornar pela ponte, evitando interferência a outros sinais como resultado de caminho de retorno sinuoso. Neste design de PCB, grounds de AD e DA são completamente isolados um do outro.

Alguns Problemas no Processo de Divisão de Planos

a. Sobreposição de Camadas de Isolamento

Em PCBs multicamadas, divisão de planos é geralmente usada para isolar diferentes potências. Geralmente falando, as camadas de ground correspondentes destas potências são isoladas uma da outra, ou seja, cada potência tem sua própria camada de referência. No processo de design de PCB, sobreposição de camadas de isolamento deve ser evitada. Por exemplo, na maioria dos PCBs multicamadas, a camada de potência e ground da parte analógica e digital são isoladas uma da outra. Camada de potência analógica e camada de ground digital não devem ser sobrepostas no espaço, como na Figura 2.

Se uma camada de isolamento sobreposta aparecer, uma pequena capacitância de pad C1 aparecerá na área sobreposta. A capacitância fará energia RF transmitida de uma camada para outra camada isolada, estática e independente, diminuir a validade do isolamento.

b. Posicionamento de Capacitor de Desacoplamento

Para filtrar ruído de alta frequência gerado por componentes de alta velocidade, muitos capacitores de desacoplamento são arranjados em PCBs. Se divisão de planos surgir em PCBs, no processo de layout, uma situação possivelmente ocorrerá que pinos de ground de capacitor de desacoplamento não estão conectados com outras camadas de ground de referência, em vez da camada de ground correspondente. Este tipo de erro possivelmente ocorrerá e levará ao desacoplamento de ruído de uma camada para outra, o que é similar à sobreposição de divisão de planos. É por isso que este problema deve ser tratado no estágio de design. Tome circuito misto digital-analógico como exemplo novamente. Potência analógica é trazida da parte digital através de ferrite bead e C1 refere-se à capacitância de desacoplamento da parte digital. Na Figura 3A, pinos de potência de C1 estão conectados com potência digital enquanto pinos de ground com ground analógico, levando ao desacoplamento de ruído digital de alta frequência na parte analógica sensível, que é uma conexão errada. Figura 3B é uma conexão correta de capacitor de desacoplamento.

c. Ground de Ponto Único

Quando camadas de referência de diferentes potências são conectadas juntas, ground de ponto único deve ser garantido. No circuito misto digital-analógico exemplificado, placas de circuito são classificadas em parte digital e analógica e tanto ground digital quanto analógico têm pelo menos dois pontos de conexão, de modo que sinal de ruído possivelmente forme circulação entre duas camadas de referência através dos dois pontos de conexão, o que é chamado de "ground loop". Ground loop levará a ruído, EMI, consumo de energia e dificuldade de dissipação de calor. Há uma solução fácil para o problema de ground loop: desde que haja apenas um ponto de conexão entre camadas de referência, loop não pode ser formado.

Camadas de Ground Locais

Como parte de planos de imagem, camadas de ground locais referem-se a um revestimento de cobre na superfície superior de PCBs, diretamente conectado com a camada de ground interna. Sua função principal é capturar fluxo magnético RF gerado pelo interior de alguns chips-chave (osciladores, por exemplo) ou ser usado para dissipação de potência.

Para obter excelente desempenho, osciladores, cristais e suportes de clock devem ser montados em uma camada de ground local independente. As razões incluem:

1. Se o oscilador é encapsulado em um revestimento metálico, corrente RF gerada dentro do revestimento metálico possivelmente será tão grande que seus pinos de ground falham em conduzir a grande corrente ao ground com método de baixo consumo de energia. Como resultado, este revestimento metálico torna-se uma antena unipolar.
2. Se técnica de montagem superficial é usada ao colocar o oscilador em PCBs, o problema mencionado acima piora, já que material plástico é geralmente usado em encapsulamento SMT, impedindo corrente RF conduzida ao ponto de ground. Finalmente, corrente RF gerada dentro do encapsulamento será radiada no espaço livre e desacoplará com outros componentes.
3. Osciladores ordinários são capazes de acionar buffer de clock que pertence a componentes com velocidade super alta e taxa de borda rápida, produzindo grande quantidade de corrente RF, que possivelmente levará a falha de função de corrente.

Se uma camada de ground local for montada no oscilador e circuito de clock, planos de imagem serão fornecidos, usados para capturar a energia RF gerada no interior do oscilador e circuitos correspondentes, de modo que radiação RF pode ser diminuída.

Regra 20-H

Como uma regra empírica, a regra 20-H descreve que em PCBs multicamadas com alta densidade, para reduzir energia eletromagnética radiada ao espaço livre por placas de circuito, o tamanho da camada de potência deve ser menor em 20H do que o da camada de ground, em que H refere-se à distância entre as duas camadas. Na Figura 4, a parte esquerda indica a camada de potência/ground sem design especial, na qual a radiação de borda é tão forte que influenciará as funções de circuito adjacente. A parte direita indica a situação de radiação RF através da diminuição do tamanho da superfície de potência por X-H. Pode-se ver que a camada de ground atrai muitas linhas de força magnética e energia de radiação RF é diminuída. Segundo resultado de experimentos, força de radiação RF começa a cair a partir de 10-H; no caso de 20-H, ground é capaz de atrair 70% do fluxo magnético; no caso de 100-H, força magnética é capaz de diminuir em 98%.

Naturalmente, 20-H não é perfeito para todas as estruturas de PCB. A eficiência de 20-H depende da frequência de operação, tamanho físico da camada de potência/ground e a distância entre eles, os dois últimos elementos dos quais decidem a SRF (frequência de ressonância própria) da placa de PCB. Pesquisa indica que quando PCB opera em qualquer SRF, 20-H não funciona e ground falha em atrair energia de radiação também. Pior ainda, muita energia de radiação será gerada em vez disso. Portanto, no circuito de alta velocidade prático, situações específicas devem ser levadas em consideração ao decidir se deve escolher a regra 20-H ou não.

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