In de vorige edutorials is besproken hoe EMC-problemen onstaan, hoe deze gefilterd kunnen worden en welke filters ons ter beschikking staan. In deze edutorial gaan we in op de PCB lay-out en meer specifiek de indeling van de verschillende lagen.

Indeling een-laags print

We gaan in eerste instantie uit van een een-laagsprint. Hiervoor wordt ook tegenwoordig nog voor gekozen wanneer er enorme druk op de kosten liggen. Echter, hoe groter het lusoppervlak hoe groter de emissie. In een een-laags print ligt de nadruk dus op het verkleinen van het lusoppervlak.

Een-laags print met groot lusoppervlak

Dit houdt in dat voor ieder spoor een retourspoor naast het heengaande spoor moet worden gelegd.
In deze opzet is echter een dubbel aantal sporen benodigd. In het geval dat een Noord-Zuid verbinding een Oost-West verbinding kruist zal er van jumpers gebruik gemaakt moeten worden. Dit is al snel niet meer werkbaar.

Een-laags print met klein lusoppervlak

Een-laags print met kruisende sporen

Twee-laagsprint: de introductie van een referentievlak

De volgende stap is de introductie van een referentievlak. We spreken nu over een twee-laags print. Het is verstandig dit aan de overzijde van de print te kiezen. Ieder IC heeft dan direct zijn eigen nul aansluiting. Later zullen we de voordelen hiervan zien.

Twee-laags print

In ieder geval heeft ieder spoor direct zijn eigen retourpad in het referentievlak. De retourstroom zal namelijk in het referentievlak keurig onder het heengaande spoor retour lopen. Dit komt omdat de natuur streeft naar het laagste energieniveau en dus voor het kleinst mogelijk lusoppervlak zal kiezen (Wet van Lenz).

Onderbreking referentievlak

Ofschoon een twee-laags print al meer mogelijkheden biedt als een een-laags print zijn de retouringsmogelijkheden in twee-laags printen nog steeds redelijk beperkt. Het komt dan ook voor dat men een printspoor in een uitsparing in het referentievlak legt. De retourstroom, die in eerste instantie onder het printspoor door wil lopen, wordt nu bij deze uitsparing als het ware gedwongen om de uitsparing heen te gaan lopen. Het lusoppervlak wordt hierdoor onherroeplijk vergroot, hetgeen tot een grotere emissie leidt.

Een onderbreking in het referentievlak

Het referentievlak lijkt dus nagenoeg intact maar de uitsparing snijdt het referentievlak toch vaak bijna volledig in tweeën met alle gevolgen van dien. Een oplossing is een jumper of zelfs een spoor over de uitsparing laten lopen. In de praktijk is dit echter meestal niet mogelijk. Een referentievlak moet dus volledig gesloten zijn. Ook een twee-laags print heeft dus routinebeperkingen omdat een laag volledig opgeofferd wordt aan het referentievlak. Men moet zich echter wel bednken dat het toepassen van een referentievlak een enorm postitief effect op de emissie heeft. Men moet dan denken aan 15 tot 20 dB reductie ten opzichte van een print zonder referentievlak!

Indeling drie-laags print

Na het voorbeeld van de een- en twee-laags print zou men denken dat er een drie-laags print komt. Deze bestaan inderdaad wel maar zijn vaak duurder dan een vier-laags print omdat een vier-laags print niets anders is dan twee twee-laags printen die oplkaar gelijmd zijn. In een drie-laags print hebben we twee mogelijkheden.

Drie-laags print met referentievlak aan de onderzijde

De NZ- en OW-vlakken boven een referentievlak of het referentievlak tussen de NZ- en OW ingebed. In het eerste geval lopen retourpaden om beide lagen heen. Beter is echter de sandwich constructie waarbij het referentievlak in het midden ligt en hierdoor aan beide kanten de korste paden worden gecreëerd.

Drie-laags print met referentievlak in het midden

Indeling vier-laags print

Als volgende stap bekijken we dus de vier-laags print. In het voorbeeld zien we het zijaanzicht van de print de buitenzijden worden gebruikt voor de signalen Noord - Zuid en Oost - West. De twee binnenlagen worden gereserveerd voor het referentievlak (aardvlak) en het voeding. Het is echter niet aan te raden de voeding als vlak uit te voeren.

Vier-laags print

Stel dat er zich aan de bovenzijde van print een niet actief component bevindt. De uitgang van dit IC is aangesloten via een spoor in het NZ-vlak en loopt via de via naar het OW-vlak naar een ander IC. Uiteindelijk moet de stroom weer een keer retour lopen. Deze retour stroom zal in eerste instantie in het voedingsvlak lopen. Zoals we later zullen zien bevinden het referentievlak en het voedingsvlak zich hoogfrequent op hetzelfde potentiaal. Dit wordt veroorzaakt door alle ontkoppelcondensatoren die zich tussen dit referentie- en voedingsvlak aanwezig zijn. Zoals we dit bij twee-laags printen al gezien hebben, zal de retourstroom keurig in het voedingsvlak onder het heengaande spoor retour lopen. Zodra de retourstroom echter de Via bereikt, wordt deze als het ware geblokkeerd. Nu stelt men terecht dat het referentievlak en het voedingsvlak onderling een capaciteit vormen. Dit is echter een verdeelde capaciteit en het is dus niet zo dat zich bij elke Via een condensator van b.v. 1 nF bevindt. De stroom zal dus als het ware uitwaaieren over deze verdeelde capaciteit of gaat via de dichtstbijzijnde ontkoppelcondensator lopen. In beide gevallen wordt het lusoppervlak veel groter. Als men in het beschreven geval zou snifferen met een probe, dan lijkt het of de Via staat te stralen. Men wijt dit vaak aan het feit dat de Via inductief is en daardoor een mismatch veroorzaakt wat op zijn beurt weer de emissie veroorzaakt. Dit is dus niet de echte oorzaak. Het echte effect van de Via gaat men pas in de ettelijke Giga Hertzen zien en niet op de frequenties waarop conform de EMC-richtlijn wordt gemeten.

Wat we dus eigenlijk zien is dat de retourpaden door het voedingsvlak geblokkeerd worden. Dit is de eerste reden dat we geen volledig voedingsvlak maar losse voedingssporen willen toepassen. Eventueel kan voor deze voedingssporen wel een aparte voedingslaag gebruikt worden.

Dubbele referentievlakken

Een andere vraag is dan of we dubbele referentievlakken (nul-vlakken) toe kunnen passen. Dit komt voornamelijk voor PCB's met meer dan 4-lagen. De verbindings via'stussen deze twee referentievlakken mogen in dat geval in alle richtingen maximaal een tiende van de golflengte van de hoogst te verwachte frequentie uit elkaar liggen. Bij 1 GHz is de golflengte 30 cm dus moeten de Via's om de 3 cm liggen. Bij 6 GHz moeten de Via's al weer zes keer zo dicht bij elkaar liggen! Dit betekent in de praktijk enorm veel Via's en om die reden is het vaak toch beter om maar een referentievlak te kiezen

Zonder aparte voedingslaag

Het is ook mogelijk de voedingssporen als signaallijnen te zien. Wat is immers het verschil tussen een voedingslijn en een signaallijn die altijd hoog is? Dit houdt in dat we nu opeens drie lagen voor de signaal- en voedingssporen gecombineerd hebben. Eigenlijk is dit weer een drie-laags print. Dit kan zeker voordelen bieden. Vanuit een oogpunt van structuur wordt echter vaak voor een separate voedingslaag gekozen.

Een alternatief?

Een alternatief is in de bovenste laag de NZ-verbindingen te leggen, gevolgd door het referentievlak, met daaronder de OW-verbindingen en in de onderste laag het voedingsvlak.
Vanuit de indeling is dit een goede oplossing. Het retourpad wordt nu immers niet meer geblokkeerd. We zullen echter later zien dat dit vanuit het oogpunt van lokale ontkoppelcondensatoren nog steeds niet de optimale oplossing is.

Alternatieve indeling vier-laags print

Nog een alternatief?
Het is vanzelfsprekend ook mogelijk naast elke Via een ontkoppel condensator te plaatsen, tussen het voedingsvlak en het referentie. Dit is echter ook geen praktische oplossing vanwege het grote aantal Via's die welke zich in de meeste printen bevinden.