1. Principios básicos del diseño de pilas
En general, el diseño de pilas debe seguir dos reglas:
- Cada capa de enrutamiento debe tener una capa de referencia cercana. La capa de referencia puede ser un plano de potencia o un plano de tierra.
- Mantén el plano de potencia principal y el plano de tierra lo más cerca posible. Así se consigue una mayor capacitancia de acoplamiento.
A continuación se muestran ejemplos de apilamiento desde placas de dos capas hasta placas de ocho capas.
2. Esquemas de apilamiento por número de capas de PCB
2.1 Apilamiento de placas de una y dos capas
En las placas de dos capas, el número de capas es bajo. Los problemas de apilamiento no existen del mismo modo que en las placas de varias capas. El control de la radiación EMI debe provenir del enrutamiento y el diseño.
Monocapa y las placas de doble capa tienen cada vez más problemas de compatibilidad electromagnética. La causa principal es que las áreas de bucle de señal pueden llegar a ser grandes. Las grandes áreas de bucle no sólo producen una fuerte radiación, sino que también hacen que el circuito sea sensible al ruido exterior. Para mejorar la compatibilidad electromagnética, el paso más sencillo es reducir el área de bucle de las señales clave.
Señales clave: Desde el punto de vista de la CEM, las señales clave son las que emiten radiaciones intensas y las que son sensibles al ruido exterior. Las señales que emiten fuertes radiaciones suelen ser señales periódicas. Entre ellas se encuentran los relojes y las señales de dirección de bajo orden. Las señales sensibles al ruido suelen ser señales analógicas de bajo nivel.
Las placas de una o dos capas suelen utilizarse en diseños analógicos de baja frecuencia por debajo de 10 kHz. Utilice estas reglas básicas:
- Enruta la alimentación en la misma capa de forma radial siempre que puedas. Intenta que la longitud total de las trazas sea pequeña.
- Mantén cerca las trazas de alimentación y tierra. Coloca una traza de tierra junto a una señal clave. Coloca esa traza de tierra lo más cerca posible de la señal. De este modo se crea una pequeña zona de bucle. Un área de bucle pequeña disminuye la radiación en modo común y reduce la sensibilidad de la señal al ruido exterior. Al colocar una traza de tierra junto a la señal, el pequeño bucle atraerá la corriente de retorno de la señal. La corriente de la señal pasa entonces a través de este pequeño bucle y no a través de otros caminos de tierra.
- Para una placa de doble cara, coloque una traza de tierra ancha en el otro lado de la placa, justo debajo de la traza de señal. Haga este trazo de tierra lo más ancho posible. Esto crea un área de bucle igual al grosor de la placa multiplicado por la longitud de la señal.
2.2 Apilamiento de placas de cuatro capas
Los apilamientos comunes de cuatro capas incluyen:
- SIG - GND (o PWR) - PWR (o GND) - SIG
- GND - SIG (o PWR) - SIG (o PWR) - GND
Para ambos apilamientos, existe un problema potencial con un grosor de placa estándar de 1,6 mm (62 mil). La separación entre capas se hace grande. Un espaciado grande dificulta el control de la impedancia, el acoplamiento de capas y el apantallamiento. En particular, si la separación entre los planos de potencia y tierra es grande, la capacitancia de la placa disminuye. Una capacitancia de placa baja no es buena para filtrar el ruido.
Para el primer apilamiento (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
Se suele utilizar cuando hay muchos chips en la placa. Este apilamiento proporciona una buena integridad de la señal. El rendimiento EMI no es tan bueno. Debes controlar la EMI mediante un enrutamiento cuidadoso y otros detalles.
Puntos clave:
- Coloque el plano de tierra junto a la capa de señal que tenga el enrutamiento más denso. Esto ayuda a absorber y reducir la radiación.
- Aumente también la superficie del tablero. Siga la regla 20H.
Para el segundo apilamiento (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
Se utiliza cuando la densidad del chip es baja y cuando el área del chip tiene espacio para vertidos de cobre de potencia. En este diseño, las capas exteriores son planos de tierra y las dos interiores son de señal o alimentación. Enrute la potencia en la capa de señal con trazas anchas. Los trazados anchos hacen que la impedancia de la ruta de potencia sea baja y la impedancia de la señal microstrip sea baja. Las capas exteriores de tierra pueden proteger las señales interiores de la radiación. Desde el punto de vista del control de la EMI, ésta es la mejor estructura de PCB de cuatro capas disponible en la actualidad.
Puntos clave:
- Mantenga una separación mayor entre las dos capas interiores de señal mixta y de potencia.
- Haga que las direcciones de enrutamiento sean ortogonales entre esas capas para evitar la diafonía.
- Controle el área del tablero y siga la regla de las 20H.
- Si debe controlar la impedancia de enrutamiento, coloque las trazas cuidadosamente bajo las islas de cobre de alimentación y tierra.
- Además, intente interconectar los vertidos de cobre en las capas de potencia o tierra tanto como sea posible. Esto proporciona una buena conectividad de CC y baja frecuencia.
2.3 Apilamiento de placas de seis capas
Para diseños con alta densidad de chips y alta velocidad de reloj, considere las placas de seis capas. A continuación se recomiendan dos apilamientos de seis capas:
Opción 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
Con este esquema se consigue una buena integridad de la señal. Cada capa de señal se sitúa junto a un plano de tierra. Los planos de potencia y tierra están emparejados. Se puede controlar bien la impedancia de cada capa de enrutamiento. Ambos planos de tierra pueden absorber bien el flujo magnético. Con los planos de potencia y tierra completos, cada capa de señal tiene una buena ruta de retorno.
Opción 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
Esta opción se adapta a placas en las que la densidad de dispositivos no es muy alta. Mantiene las ventajas de la primera opción. Además, los planos de tierra superior e inferior son más continuos. Actúan como buenos blindajes.
Nota: Coloque el plano de potencia cerca del lado que no es la cara principal del componente. El plano inferior será más completo entonces, y el rendimiento EMI será mejor que la primera opción.
Resumen para placas de seis capas:
Mantenga la distancia entre los planos de potencia y tierra lo más pequeña posible. Así se consigue un buen acoplamiento potencia-tierra. En una placa de 62 mil de grosor, la separación entre capas es menor que en las opciones de cuatro capas. Aún así, no es fácil hacer que la distancia entre los planos de potencia y tierra sea muy pequeña. En comparación con la segunda opción, la primera cuesta menos. Así que a menudo elegimos la primera forma para el apilamiento práctico. Siga la regla 20H y la regla de la capa espejo en el diseño.
2.4 Apilamiento de placas de ocho capas
Las placas de ocho capas tienen muchas posibilidades de apilamiento. Algunas son peores para la EMI debido a su escasa absorción y a su gran impedancia de potencia. Aquí se describen tres formas:
Tipo A (no es bueno)
Esta forma tiene menor absorción electromagnética y mayor impedancia de potencia. Su orden de capas es:
- Señal 1: lado del componente, capa de enrutamiento microstrip
- Señal 2: capa de enrutamiento microstrip interior, capa de enrutamiento buena (dirección X)
- Suelo
- Señal 3: capa de enrutamiento stripline, capa de enrutamiento buena (dirección Y)
- Señal 4: capa de enrutamiento stripline
- Potencia
- Señal 5: capa de enrutamiento microstrip interior
- Señal 6: capa de encaminamiento microstrip
Esta forma no es una buena elección porque no proporciona referencias coherentes para todas las capas de señal. La impedancia de potencia es alta y el control EMI es débil.
Tipo B (variante con capas de referencia añadidas)
Se trata de una variante de un tercer tipo. Añadiendo capas de referencia se obtiene un mejor rendimiento EMI. La impedancia característica de cada capa de señal puede controlarse bien. Un orden posible es:
- Señal 1: lado del componente, capa de enrutamiento microstrip, capa de enrutamiento buena
- Suelo: buena absorción de las olas
- Señal 2: capa de enrutamiento stripline, capa de enrutamiento buena
- Potencia: este plano de potencia y el suelo bajo él forman una buena absorción electromagnética
- Tierra: plano de tierra
- Señal 3: capa de enrutamiento stripline, capa de enrutamiento buena
- Potencia: este plano de potencia tiene mayor impedancia de potencia
- Señal 4: capa de enrutamiento microstrip, capa de enrutamiento buena
Tipo C (mejores prácticas)
Es la mejor forma de apilamiento. Utiliza múltiples planos de referencia de tierra. Esto proporciona una muy buena absorción electromagnética. Un orden común es:
- Señal 1: lado del componente, capa de enrutamiento microstrip, capa de enrutamiento buena
- Suelo: buena absorción de las olas
- Señal 2: capa de enrutamiento stripline, capa de enrutamiento buena
- Potencia: este plano de potencia y el suelo bajo él forman una excelente absorción electromagnética
- Tierra: plano de tierra
- Señal 3: capa de enrutamiento stripline, capa de enrutamiento buena
- Tierra: segundo plano de tierra, buena absorción de ondas
- Señal 4: capa de enrutamiento microstrip, capa de enrutamiento buena
3. Cómo elegir el número de capas y el apilamiento
Elija el número de capas y la forma de apilado en función de muchos factores. Entre ellos: el número de redes de señalización de la placa, la densidad de componentes, la densidad de patillas, las frecuencias de señalización y el tamaño de la placa. Considérelos todos juntos.
Notas de diseño:
- Si hay muchas redes de señales, diseñe con más capas.
- Si la densidad de componentes es alta, elija más capas.
- Si la densidad de agujas es alta, elija más capas.
- Si la frecuencia de la señal es alta, elija más capas.
- Para obtener un buen rendimiento EMI, procure que cada capa de señal tenga su propia capa de referencia. La capa de referencia puede ser de tierra o de alimentación. Esto ayuda a controlar la impedancia y proporciona vías de retorno estrechas. Las vías de retorno estrechas reducen el área de bucle. Una menor área de bucle reduce la radiación y la sensibilidad a las interferencias.
4. Reglas sencillas a seguir en todos los diseños
- Asigne a cada capa de enrutamiento un plano de referencia cercano. Esto ayuda a controlar la impedancia y la corriente de retorno.
- Empareja los planos de potencia y tierra siempre que puedas. La separación debe ser pequeña. Esto aumenta la capacitancia del plano. Una alta capacitancia del plano reduce el ruido.
- Coloque el plano de tierra junto a la capa de señal que tenga un enrutamiento denso. Esto ayuda a absorber y detener la radiación.
- Utilice enrutamiento ortogonal en capas de señal adyacentes para reducir la diafonía.
- Utilice trazas anchas para el enrutamiento de potencia en capas mixtas para mantener baja la impedancia de la ruta de potencia.
- Vierte cobre de interconexión en los planos de potencia y tierra para conseguir conexiones de CC y baja frecuencia potentes.
- Siga la regla 20H cuando establezca el área del tablero y tenga en cuenta las reglas de diseño de las capas espejo.
- En diseños de alta velocidad o alta densidad, prefiera placas de seis u ocho capas para que cada capa de señal pueda tener una referencia cercana.
- Para diseños analógicos de baja frecuencia, las placas de una o dos capas pueden funcionar si se mantienen pequeñas las áreas de bucle y se coloca la masa cerca de las señales.
- Cuando puedas, haz que los planos interiores de potencia y tierra estén cerca. Esto mejora el desacoplamiento y reduce la EMI.
5. Nota de cierre
La elección del apilamiento es un intercambio de sistemas. Examine las redes, el diseño, la ubicación de los componentes, el número de patillas y la frecuencia, todo a la vez. Para mejorar la EMI y el control de la señal, dé a cada capa de señal una referencia clara y cercana. Siempre que sea posible, utilice planos emparejados y una distancia entre planos reducida. Utilice varios planos de tierra para una mejor absorción electromagnética en placas de varias capas. Cuando diseñe, equilibre el coste y el rendimiento. Siga las sencillas reglas anteriores y elija el apilamiento que mejor se adapte a las necesidades de su placa.
