Kurs Projektowania PCB #8: Emisje krawędziowe i guard ringi

H1M4W4R1 · 17 stycznia

Wstęp

W tym rozdziale pokażę prostą, czterowarstwową płytkę konwertującą sygnał z kontrolera SNES dla Arduino. Projekt ten będzie okazją do omówienia trzech ważnych zagadnień: guard ringów, emisji krawędziowych oraz zmiany ilości warstw w naszym projekcie.

Podgląd gotowej płytki

Dlaczego cztery warstwy?

Płytki czterowarstwowe pozwalają na dużo łatwiejsze prowadzenie ścieżek. Pozwalają one korzystać z dwóch warstw sygnałowych oraz dwóch ciągłych wylewek (najczęściej masy i zasilania). Dzięki temu nie musisz tak często krzyżować ścieżek, a nawet jeżeli to robisz to obecność wylewki masowej usuwa konieczność robienia tego pod kątem 90 stopni.

W EasyEDA Pro zmiana liczby warstw jest prosta: Tools → Layer Manager… → zakładka Layer Management, gdzie zmieniasz Copper Layer z 2 na 4.

W Physical Stacking można określić szczegóły budowy laminatu – to temat na późniejszą część kursu.

Konfiguracja wielowarstwowego PCB

Guard ring – po co ta odsłonięta miedź?

Na brzegu PCB znajdziesz pasek odsłoniętej miedzi, który nie jest podłączony do masy. Taki element nazywa się guard ring lub pierścieniem ochronnym.

Najczęściej stosuje się go do ochrony wrażliwych sygnałów analogowych przed zakłóceniami, które mogłyby rozchodzić się po powierzchni wylewki masowej lub pochodzić z pobliskich ścieżek wysokich częstotliwości. W tym projekcie pełni jednak nieco inną funkcję: ogranicza emisję zakłóceń elektromagnetycznych z samego wnętrza laminatu (dielektryka) na zewnątrz płytki.

Typowy guard ring:

jest całkowicie odsłonięty (bez soldermaski),
ma gęsto rozmieszczone przelotki łączące go pomiędzy warstwami,
jest obecny na wszystkich warstwach miedzianych,
jest podłączony do uziemienia obudowy zamiast masy (dotyczy pierścieni na krawędzi laminatu, aczkolwiek w niektórych przypadkach można go łączyć z masą)

Najważniejszą część pracy wykonują tu właśnie przelotki – tworzą one mechaniczne „ścianki”, które utrudniają ucieczkę energii z dielektryka i ograniczają emisje boczne.

W projektach hobbystycznych guard ring jest rzadko potrzebny. Jeśli już się go stosuje, to najczęściej wokół sekcji analogowych, aby odseparować sygnały małej amplitudy od cyfrowego „szumu”.

Oznaczenia PCB

Na płytce warto umieszczać numer rewizji oraz identyfikator projektu. Ułatwia to późniejszy montaż, diagnostykę i odszukiwanie dokumentacji. W pracy prototypowej to drobiazg, który potrafi zaoszczędzić dużo czasu.

Wylewki w płytkach wielowarstwowych

W projektach czterowarstwowych należy dążyć do tego, aby każda warstwa sygnałowa była jak najbliżej pełnej wylewki masowej. Dzięki temu powrót prądu sygnałowego ma krótką, stabilną ścieżkę, co znacznie poprawia integralność sygnałową i zmniejsza emisje elektromagnetyczne.

Gdy masz dość dużo różnych napięć może być to problematyczne i akceptowalne staje się umieszczenie sygnałów obok wylewki zasilania (zamiast masowej).

Akceptowalne i nieakceptowalne ułożenie warstw na PCB

Dlaczego przerwa w wylewce masowej jest problemem?

Każda przerwa pod ścieżką – zarówno ta powstała celowo (wycięcia, separacje), jak i przypadkowa (np. segmenty zablokowane przez inne pola miedzi) – powoduje gwałtowny wzrost emisji zakłóceń. Dzieje się tak dlatego, że:

Prąd powrotny musi znaleźć nową drogę: zamiast płynąć tuż pod ścieżką, zostaje zmuszony do obejścia przerwy wielokrotnie dłuższą trasą.
Pętla prądowa staje się większa: większa pętla = większa antena. Każdy sygnał zaczyna „nadawać”, a to prowadzi do emisji elektromagnetycznych.
Wzrasta indukcyjność pętli: większa indukcyjność to większe zakłócenia podczas szybkich zmian stanu (emisje krawędziowe), a jednocześnie większa podatność na zakłócenia zewnętrzne.

Sygnały wysokoczęstotliwościowe najbardziej cierpią: im szybsze zbocze sygnału, tym bardziej krytyczne jest utrzymanie zwartej ścieżki powrotnej. Nawet I2C może generować zakłócenia, jeśli powstają pętle powrotu.

Każda przerwa w masie, zwłaszcza pod linią sygnałową, działa jak wzmacniacz problemów EMC.

Ograniczanie wylewek miedzianych

Wytrasowane PCB

W niektórych miejscach projektu możesz zauważyć szrafowane obszary pokrywające fragmenty płytki. Takie pola służą do blokowania automatycznej wylewki miedzianej, która mogłaby w niewłaściwych miejscach tworzyć niekorzystne struktury działające jak anteny. Jest to szczególnie ważne przy sygnałach biegnących równolegle lub w obrębie szybkich magistral, gdzie przypadkowe „półmostki” miedzi mogą powodować sprzężenia i zwiększać emisje zakłóceń.

Jak dodać obszar blokujący?

W edytorze PCB wybierz polecenie: Place → Prohibited Region.
W oknie konfiguracji ustal warstwę, dla której chcesz zablokować wylewkę.
W sekcji opcji wybierz rodzaj elementów, które mają być wykluczane przez region.
Dla wylewki miedzianej zaznacz opcję Copper.
Zatwierdź ustawienia przyciskiem Confirm, a następnie narysuj kształt obszaru bezpośrednio na PCB.

Po zapisaniu zmian program będzie automatycznie pilnował, aby w wyznaczonym miejscu nie pojawiła się żadna miedź. To prosta, ale bardzo skuteczna metoda poprawy kontroli nad projektem oraz ograniczenia niepożądanych zjawisk EMC.

Możesz zablokować umieszczanie nie tylko miedzi, ale nawet całych komponentów, co jest szczególnie przydatne przy projektach ograniczonych mechanicznie.

Edytowano 18 stycznia przez H1M4W4R1