Via stitching для "улучшения" земли
Помимо наглядного примера влияния количества слоев платы на ЭМС, в этом видео я также увидел наглядное объяснение виа-ститчинга (via stitching). А если быть точнее, то одного из его применений.
Зачем он вообще нужен?
Виа-ститчинг используется для нескольких целей:
Про последний пункт я слышал еще в университете, причем именно в таких выражениях: «Делайте виа-стичинг, чтобы земля была лучше».
Будучи студентом, такие понятия как «земля» и ЭМС казались настолько сложными, что я не задавался дополнительными вопросами, а просто брал и делал.
Но что же такое хорошая земля?
Хорошая земля - это земля с низким сопротивлением и низкой индуктивностью.
Окей, а как на это влияет виа-ститчинг?
Для ответа на этот вопрос давайте вспомним несколько вещей:
- Земля - это цепь, по которой течет возвратный ток
- Ток предпочитает течь по пути наименьшего сопротивления
- Если мы имеем дело с постоянным (DC) током, то он будет течь по самому короткому пути. Потому что самый короткий путь - это наименьшее резистивное сопротивление
- Если мы имеем дело с переменным (AC) током (особенно если это ток с высокой частотой), то помимо резистивной составляющей появляется еще и индуктивная составляющая. Сумма этих составляющих даёт «импеданс» для возвратного тока
- Возвратный ток очень высокой частоты будет течь не по самому короткому пути, а аккурат под дорожкой, по которой он притек. Т.е. под линией прямого тока
- Это происходит потому, что для высоких частот наименьший импеданс для возвратного тока находится именно под путем пролегания прямого тока
- Другими словами:
- Для DC тока наименьший импеданс - это самый короткий путь
- Для AC ток наименьший импеданс - это пусть с самой маленькой петлей
Об этом хорошо написал и проиллюстрировал Резонит:
На рис. 2 показаны два компонента на печатной плате. Сигнал частотой 50 МГц распространяется по проводнику над полигоном от компонента А к компоненту Б. Мы знаем, что такой же по величине сигнал должен распространяться обратно от компонента Б к компоненту А. Предположим, что этот ток (назовем его возвратным) протекает от вывода компонента Б, обозначенного GND, к выводу компонента А, обозначенного также GND.
Поскольку обеспечена целостность (неразрывность) полигона, и выводы, обозначенные как GND, обоих компонентов расположены близко друг от друга то, это склоняет к заключению, что ток выберет самый короткий путь между ними (путь 1). Однако, это не правильно. Высокочастотные токи выбирают путь наименьшей индуктивности (или путь с минимальной областью петли, путь наименьшего витка). Большая часть сигнального возвратного тока течет по полигону по узкому пути прямо под трассой сигнала (путь 2).
Влияние на ЭМС
Если высокоскоростной возвратный ток всё-таки образует петлю, то он генерирует электромагнитное излучение. Чем больше петля, тем сильнее излучение. Поэтому идеальная земля должна быть:
Т.е. идеальная земля - это полноценный выделенный слой земли на печатной плате, где нет никаких вырезов, где не проходит никаких дорожек и нет никаких компонентов.
Когда нужен via stitching?
Если в плате уже есть такой слой земли, то сделать его еще "лучше" особо и не получится. Достаточно поставить via в нужные места рядом с выводами GND и дело в шляпе.
Обычно такая земля присутствует в 4-х и более слойных платах, а иногда - в простых 2-слойных.
Но если плата имеет всего 2 слоя, на каждом из которых расположены компоненты и дорожки, то земля в ней - это не полноценный выделенный слой, а тупо оставшееся место на печатной плате.
Обычно инженер прикидывает примерное протекание тока земли на этапе расстановки компонентов, держит его в уме при трассировке дорожек, затем делает заливка всей платы медью, а возвратный ток уже сам разбирается как он вернется обратно.
Вот на примере ниже, допустим, нам надо чтобы возвратный ток прошел путь из точки А в точку В. Из-за топологии и всяких препятсивий в виде компонентов и дорожек, получается большая петля.
Но если добавить via stitching, то благодаря наличию слоя земли на стороне bottom, путь тока будет пролегать из точки А, через via1, по слою bottom и вот наконец по via2 он попадет в точку В. Путь в итоге становится гораздо короче.
В большой плате с 2 слоями таких участков может быть очень много. Поэтому, чтоб не мучиться и дать возвратному току возможность самому выбирать наиболее оптимальный путь, используется via stitching, когда тупо всё свободное пространство земли прошивается переходными отверстиями, создавая большое количество таким "мостиков", уменьшая петли, а значит и уменьшая электромагнитное излучение.
Другими словами, делая "улучшение земли"!
Источники
[1] EEVblog #1176 - 2 Layer vs 4 Layer PCB EMC TESTED!
[2] Резонит - Проектирование с учетом ЭМС