Oblewane powierzchnie miedziane w szybkich układach cyfrowych - rewizja utrwalonych poglądów

Można powiedzieć, że technika umieszczania na PCB dużych powierzchni miedzi jest inspirowana wieloma projektami referencyjnymi opracowanymi dla urządzeń radiowych w.cz. Niestety, w układach cyfrowych takie powierzchnie są często stosowane nieprawidłowo. Ich rola ogranicza się po prostu jedynie do wypełnienia całej powierzchni miedzią. Warto więc rozpatrzyć przypadki, w których użycie powierzchni miedzi jest uzasadnione, a w których nie.

Produkcja PCB: Za stosowaniem dużych płaszczyzn miedzi przemawiają niektóre względy technologiczne związane z produkcją PCB. Ich użycie zapewnia równomierne rozłożenie miedzi na płytce. Nie bez znaczenia jest też zmniejszenie ilości płynu trawiącego, co bezpośrednio przekłada się na obniżenie kosztów produkcji.

Projekty dla urządzeń radiowych i mikrofalowych: Oblewana płaszczyzna uziemienia minimalizuje niepożądane sprzężenia oraz zmniejsza emisję zaburzeń elektromagnetycznych.

Projekty urządzeń cyfrowych: Płaszczyzna masy poprawia odporność na zakłócenia, zapewnia znacznie większą jednorodność uziemienia i minimalizuje indukcyjność ścieżki prądowej.

Należy rozróżnić obszar miedzi stanowiący jedynie wypełnienie powierzchni płytki od płaszczyzny miedzi stanowiącej masy (GND). Pokrywanie płytki płaszczyzną miedzi niezwiązaną z siecią połączeń elektrycznych nie jest dobrym pomysłem, ponieważ nie przynosi istotnych korzyści. Generalnie wylewane obszary miedzi mogą być umieszczane na dowolnych warstwach wielowarstwowej płytki drukowanej. W specjalistycznym żargonie zabieg taki jest nazywany kradzieżą miedzi. Zwykle obszary te są tworzone z prostych figur geometrycznych wypełnionych całkowicie miedzią lub składających się zakreskowanych pól. Są one umieszczane w dużych, pustych obszarach płytki. Jeśli taka płaszczyzna jest oderwana od sieci połączeń, mówimy, że jest to miedź pływająca.

 

Fot. 1. Przykład nieuzasadnionego umieszczenia powierzchni miedzianej na warstwie zewnętrznej

Niektórzy projektanci przenoszą decyzję o kradzieży miedzi na producenta PCB. Nie zawsze jest to jednak korzystne rozwiązanie dla projektu. Wprawdzie uzyskuje się dobre pokrycie płytki miedzią, ale producenci nie mają zwykle możliwości oceny takiego zabiegu na parametry elektryczne urządzenia. Tymczasem pływająca miedź może stanowić zagrożenie dla integralności sygnałów. Z tego powodu wszelkie wylewki miedziane powinny być połączone z masą lub zasilaniem. Obszary miedzi bez przelotek uziemiających mogą stać się źródłami przesłuchów między ścieżkami przebiegającymi po obu stronach płaszczyzny masy. Decydując się na wylewki miedzi umieszczane w urządzeniach, w których występują sygnały o małej długości fali, należy liczyć się z nieumyślnym tworzeniem anten promieniujących. Aby zabezpieczyć się przed takimi sytuacjami, projektant może zabronić producentowi PCB wprowadzania i modyfikowania powierzchni miedzi bez konsultacji z zamawiającym.

Jedną z podstawowych funkcji powierzchni miedzianych jest tworzenie dróg powrotnych dla prądów. Takie powierzchnie stanowią wówczas element płaszczyzny uziemienia. Zasady ich rozmieszczania są na tyle złożone, że trudno by było podać jedną uniwersalną poradę wyjaśniającą, jak taka płaszczyzna uziemienia powinna być zaprojektowana. Zawsze musi być ona tworzona z uwzględnieniem wymagań dotyczących integralności sygnałów. Należy również pamiętać o ewentualnym oddziaływaniu na siebie innych płaszczyzn miedzi umieszczonych na PCB. Przykład niczym nieuzasadnionego skopiowania płaszczyzny uziemienia z dolnej warstwy na górną został przedstawiony na fotografii 1. Wylewka GND na górnej warstwie niczemu nie służy, jest więc zupełnie niepotrzebna.

 

Rys. 2. Dwupaskowy współpłaszczyznowy falowód uziemiony CPW (falowód koplanarny)

Opisywaną koncepcję stosuje się natomiast w układach w.cz, w których ścieżki masy są przenoszone na górną warstwę i biegną między ścieżkami sygnałowymi. Uziemione obszary powinny być łączone z płaszczyzną masy za pomocą przelotek rozmieszczonych w odległościach nie dłuższych niż jedna czwarta długości fali (rys. 2). Technika ta zamienia linię mikropaskową na uziemiony falowód współosiowy, co powoduje zmniejszenie impedancji charakterystycznej i różnicowej. Dzieje się tak, ponieważ wylewana miedź zwiększa pojemność między ścieżką sygnałową a masą.

 

Rys. 3. Budowa linii mikropaskowej i paskowej

Falowód wielopłaszczyznowy (Coplanar Waveguide – CPW) jest preferowanym medium transmisyjnym powyżej 20 GHz. Lepiej lokalizuje pole EM niż linia mikropaskowa, tym samym zmniejsza fałszywe sprzężenia, promieniowanie i dyspersję. Jednocześnie CPW zapewnia dokładnie zdefiniowaną ścieżkę powrotną dla sygnału. Wewnętrzna linia paskowa ma przewagę nad zewnętrzną linią mikropaskową (rys. 3). Otwarta konstrukcja linii mikropaskowej powoduje, że może ona promieniować. W linii paskowej ścieżka sygnałowa przebiega pomiędzy płaszczyznami uziemienia, co powoduje, że linia taka nie promieniuje. Sygnały można ekranować, umieszczając ścieżki na wewnętrznych warstwach pomiędzy płaszczyznami miedzianymi. Tworzone są w ten sposób pakowe linie transmisyjne. Taka technika jest zalecana dla urządzeń, w których występują sygnały o częstotliwościach powyżej kilkuset megaherców.

Warto również wspomnieć o prowadzeniu ścieżek sygnałów zegarowych. Mają one zwykle duże częstotliwości i strome zbocza. Jedna z technik zakłada umieszczanie na płytce płaszczyzn – "strażników„ otaczających ścieżki sygnałów zegarowych. Strażnicy ci są łączeni z płaszczyzną uziemienia w wielu miejscach. W urządzeniach cyfrowych taka technika jest przydatna tylko w przypadku prowadzenia ścieżek na warstwach zewnętrznych. Jeśli ścieżki przebiegają na warstwach wewnętrznych, lepszym rozwiązaniem jest pozostawienie pustej przestrzeni wokół nich. Powyższe zalecenia są generalnie słuszne, z tym że jeśli linia mikropaskowa jest bardzo blisko sprzężona z płaszczyzną odniesienia (mniej niż 3 milsy), to promieniowanie jest minimalne. Zapewnienie uziemienia na warstwach zewnętrznych przynosi w tym przypadku tylko niewielkie korzyści.

 

Rys. 4. Miedziane wylewki obniżające impedancję sąsiadujących z nimi ścieżek

Gdy płaszczyzny miedzi znajdują się blisko krytycznych ścieżek sygnałowych (rys. 4), impedancja zmniejsza się o 2 do 3 Ω. Impedancja pary różnicowej po stronie miedzi staje się niższa niż po stronie wolnej od miedzi. Powoduje to, że w tych okolicach sygnał różnicowy przechodzi w sygnał wspólny, co niekorzystnie wpływa na jego integralność. Efektywny stopień zapobiegania emisji pola zapewni tylko dobrze zrównoważona linia symetryczna. Jeśli warunek ten nie jest spełniony, stopień eliminacji pola nie jest określony przez odległości między ścieżkami, lecz przez stopień zrównoważenia linii różnicowej. Miedziana wylewka musi być oddalona od ścieżek sygnałowych o co najmniej 20 milsów i otoczona szytymi przelotkami.

Pozostańmy jeszcze przy zagadnieniach powstawania pól elektromagnetycznych w układach cyfrowych. Występują one zarówno w liniach pojedynczych (emisja trybu wspólnego), jak i różnicowych (emisja różnicowa). Pola wytwarzane w przewodach linii różnicowej są równe, ale mają przeciwne znaki, dlatego wzajemnie się znoszą. Inaczej jest w przypadku emisji wspólnej, dla której pola emitowane przez obie linie też są równe, ale mają te same znaki. W efekcie zamiast się wzajemnie kompensować, to dodają się do siebie, dając efekt wzmocnienia. W praktyce mogą występować również sytuacje, w których teoretycznie bezpieczna propagacja różnicowa może przejść w tryb wspólny. Powodem są pojemności pasożytnicze, a także utraty zrównoważenia kanału spowodowane np. jego asymetrią, niedopasowaniem czasów narastania i opadania zboczy sygnału itp. Można w związku z tym sformułować zalecenia dotyczące wylewek miedzi na PCB:

• wszystkie wylewki powinny być połączone za pomocą szytych przelotek z płaszczyzną masy;
• nie stosować izolowanych wylewek miedzianych;
• ścieżki sygnałów krytycznych powinny być umieszczane na wewnętrznych warstwach w postaci linii paskowych;
• blisko sprzężone ze sobą sygnały różnicowe mogą być prowadzone na warstwach zewnętrznych jako linie mikropaskowe bez oblewania masą;
• krytyczne sygnały prowadzone liniami pojedynczymi mogą być umieszczane na warstwie zewnętrznej jako linie mikropaskowe, jeśli są zamienione na falowody wielopłaszczyznowe;
• jeśli sygnały linii mikropaskowych są silnie sprzężone z płaszczyzną odniesienia (mniej niż 3 milsy), wytwarzane przez nie promieniowanie jest minimalne i zastosowanie uziemienia na warstwach zewnętrznych nie przynosi dużych korzyści.

Płytki drukowane, w których zostało zapewnione należyte uziemianie, tworzą klatkę Faradaya. Promieniowanie występuje w niej na krawędziach. Płytka będzie poprawnie zaprojektowana, jeżeli zostanie na niej umieszczonych wiele przelotek uziemiających łączących zastosowane na niej płaszczyzny miedziane. Wszelkie możliwe rezonanse są ponadto skutecznie tłumione przez omijanie miejsc i ścieżek przenoszących silne sygnały. Należy zaznaczyć, że robienie wylewek miedzi i szycie ich z płaszczyzną odniesienia jest w wielu projektach układów cyfrowych niepotrzebne. Wylewki miedziane nie są, wbrew utartym przekonaniom, magicznym środkiem rozwiązującym wszystkie problemy związane z kompatybilnością elektromagnetyczną. Co więcej, przypadkowe wylewnie miedzi może stworzyć nowe problemy, więc jeśli tylko jest możliwe, należy unikać tej techniki.

Jarosław Doliński

Źródło: "Copper pours in high-speed design" - Design007 Magazine, 06/2022.