¿El mejor apilamiento posible con una PCB de cuatro capas?

Question

Estoy diseñando una placa de circuito impreso de 4 capas y sé que el apilamiento estándar es

1. Señales
2. GND
3. VCC
4. Señales

(GND y VCC pueden conmutarse en función de la capa con más señales)

El problema es que no quiero conectar todos los pines de tierra a través de vias, son demasiados. Tal vez porque no estoy acostumbrado a PCBs de 4 capas, de todos modos, he leído un consejo de Henry W. Ott sobre un apilamiento diferente

1. GND
2. Señales
3. Señales
4. GND

(Donde la potencia se encamina con trazos anchos en los planos de señal).

Según él, este es el mejor apilamiento posible con una placa de circuito impreso de cuatro capas, por las siguientes razones:

1. Las capas de señal son adyacentes a los planos de tierra.
2. Las capas de señales están fuertemente acopladas (cercanas) a sus planos adyacentes.
3. Los planos de tierra pueden actuar como escudos para las capas internas de señal. (Creo que esto requiere una costura).
4. Los planos de tierra múltiples disminuyen la impedancia de tierra (plano de referencia) de la placa y reducen la radiación en modo común. (No entiendo muy bien esto).

Uno de los problemas es la interferencia, pero realmente no tengo ninguna señal en la tercera capa, así que no creo que la interferencia sea un problema con este apilamiento. ¿Estoy en lo cierto en mi suposición?

Nota: La frecuencia más alta es de 48MHz y también hay un módulo WiFi en la placa.

Answer 1

Te odiarás a ti mismo si apilas el número dos ;) Tal vez sea duro, pero va a ser un PITA rehacer una placa con todas las señales internas. No tengas miedo de las vias tampoco.

Vamos a abordar algunas de sus preguntas:

1.Las capas de señal son adyacentes a los planos de tierra.

Deja de pensar en los planos de tierra y piensa más en los planos de referencia. Una señal que pasa por un plano de referencia, cuyo voltaje resulta estar en VCC, seguirá volviendo por ese plano de referencia. Así que el argumento de que, de alguna manera, tener la señal que pasa por GND y no por VCC es mejor, es básicamente inválido.

2.Las capas de señales están fuertemente acopladas (cercanas) a sus planos adyacentes.

Ver número uno Creo que el malentendido acerca de que sólo los planos GND ofrecen una vía de retorno conduce a esta idea errónea. Lo que quieres hacer es mantener tus señales cerca de sus planos de referencia, y con una impedancia correcta y constante.

3.Los planos de tierra pueden actuar como escudos para las capas internas de señal. (Creo que esto requiere coser ??)

Sí podrías intentar hacer una jaula como esta supongo, para tu placa obtendrás mejores resultados manteniendo la altura de la traza al plano lo más baja posible.

4.Múltiples planos de tierra disminuyen la impedancia de tierra (plano de referencia) de la placa y reducen la radiación en modo común. (no entiendo muy bien esto)

Creo que has interpretado esto como que cuantos más planos de gnd tenga, mejor, lo cual no es realmente el caso. Esto suena como una regla general rota para mí.

Mi recomendación para tu tabla basándome sólo en lo que me has contado es hacer lo siguiente:

Signal Layer
(thin maybe 4-5mil FR4)
GND
(main FR-4 thickness, maybe 52 mil more or less depending on your final thickness)
VCC
(thin maybe 4-5mil FR4)
Signal Layer

Asegúrese de desacoplar correctamente.

Entonces, si realmente quieres entrar en esto ve a amazon y compra el libro del Dr. Johnson Diseño digital de alta velocidad: Un manual de magia negra o tal vez la de Eric Bogatin Integridad de la señal y la potencia: simplificada . Léelo amor, vívelo :) Sus sitios web también tienen una gran información.

Buena suerte.

Answer 2

No existe el mejor apilamiento de capas. Si se lee con atención, se dice que el apilamiento con tierras en las capas exteriores es el mejor desde el punto de vista de la EMC.

Sin embargo, no me gusta esa configuración. En primer lugar, si tu placa utiliza componentes SMT, tendrás muchas más roturas en los planos. En segundo lugar, cualquier depuración o reelaboración será prácticamente imposible.

Si necesitas usar esa configuración, estás haciendo algo terriblemente mal.

Además, no hay nada malo en utilizar vías para la conexión a tierra. Si necesitas reducir la inductancia, simplemente coloca más vías.

Answer 3

"mejor" depende de la aplicación. En realidad, hay dos cuestiones que hay que abordar en su puesto

1. "Convencional" (señales en capas externas, planos en capas internas) VS "inside-out" (señales en capas internas, planos en capas externas).
   Una placa de interior a exterior tendrá un mejor rendimiento EMC, pero será mucho más difícil de modificar cuando te des cuenta de que has metido la pata en el diseño, necesitará más vías, lo que no es bueno desde el punto de vista de la densidad o la integridad de la señal, y si estás utilizando paquetes de CI cuyo paso de pines es demasiado pequeño para poner tierra entre las almohadillas, entonces terminarás con grandes agujeros en tus planos, lo que tampoco es bueno desde la perspectiva de la integridad de la señal.

2. dos planos de tierra VS un plano de tierra y un plano de potencia.
   En ambos casos, cuando una señal de alta velocidad cambia de plano de referencia, tiene que haber un camino cercano para que su corriente de retorno se mueva entre los dos planos de referencia. Con dos planos de tierra se puede hacer eso con una sola vía que conecte los dos planos directamente. Con los planos de tierra y de potencia, la conexión debe realizarse a través de un condensador, lo que normalmente (suponiendo un apilamiento "convencional") requiere dos vías y un condensador. Esto significa una peor integridad de la señal y una mayor superficie de la placa. Por otro lado, tener un plano de potencia reduce la caída de voltios en el carril de potencia y libera espacio en las capas de señal.

Answer 4

Como han dicho los demás, depende de su aplicación. Otra pila que he encontrado útil es

1. Señales (baja velocidad)
2. Potencia
3. Señales (controladas por impedancia)
4. GND

Esto mantiene los dos grupos de señales bien aislados entre sí, proporciona una excelente adaptación de la impedancia y me permite descargar el calor en el plano de tierra.

Answer 5

Creo que la segunda es mejor, porque la mayoría de las cosas están referenciadas a la tierra de todos modos (incluyendo la energía), por lo que se puede simplemente dirigir a todas partes.

Yo suelo utilizar una variación de esto, que tiene las dos capas de GND internas y utiliza las capas externas para el enrutamiento. De esta manera puedo evitar las vias para muchas cosas que pueden ser conectadas directamente en las capas externas. No creo que el hecho de que los planos de GND sean internos tenga muchas consecuencias negativas sobre las emisiones. El acoplamiento estrecho es el mismo y los cables de los componentes están fuera de todos modos.

Si me encontrara en una situación en la que realmente necesitara mucha capacitancia plana para la alimentación, no utilizaría 4 capas, sino que añadiría un par de planos POW+GND estrechamente acoplados a la pila. Esto sólo es importante para los chips extremadamente rápidos que tienen requisitos estrictos de impedancia de la fuente de alimentación a frecuencias de varios GHz.

Dicho esto, la mayoría de las pilas de los fabricantes que conozco no tienen los dos planos interiores fuertemente acoplados en una placa de 4 capas por defecto. Eso significa que el POW+GND en esas capas no será tan sorprendente como cabría esperar. Y para un diseño de baja frecuencia, el primer apilamiento es un puro desperdicio de espacio en la placa debido a ese plano de potencia.