Estrutura de camadas dos princípios de seleção e empilhamento de camadas de PCB

Após concluir o pré-layout dos componentes, ele se concentrará na análise do gargalo de fiação da PCB.Combinado com outras ferramentas EDA para analisar a densidade da fiação da placa de circuito;e, em seguida, uma combinação de requisitos especiais de fiação das linhas de sinal, como linhas diferenciais, linhas de sinal sensíveis, etc., o número e o tipo para determinar o número de camadas da camada de sinal;e então de acordo com o tipo de fonte de alimentação, requisitos de isolamento e anti-bloqueio para determinar o número de camadas da camada elétrica interna.Desta forma, o número de camadas de toda a placa de circuito é basicamente determinado.

Depois de determinar o número de camadas da placa de circuito, o próximo passo é organizar razoavelmente a ordem de colocação das várias camadas do circuito.Nesta etapa, os fatores a serem considerados são principalmente os dois pontos seguintes.

(1) Distribuição de camadas de sinal especiais.

(2) Distribuição de energia e camadas terrestres.

Se a placa de circuito tiver mais camadas, quanto mais variedades de combinações de camadas de sinal especiais, camadas de aterramento e camadas de fonte de alimentação forem organizadas, mais difícil será determinar qual combinação é ideal, mas os princípios gerais são os seguintes.

(1) A camada de sinal deve ser adjacente a uma camada de alimentação interna (camada de alimentação/terra interna), usando o grande filme de cobre da camada de alimentação interna para fornecer blindagem para a camada de sinal.

(2) As camadas internas de potência e terra devem estar fortemente acopladas, ou seja, a espessura dielétrica entre as camadas internas de potência e terra deve assumir um valor menor para aumentar a capacitância entre as camadas de potência e terra e aumentar a frequência de ressonância.

(3) A camada de transmissão de sinal de alta velocidade no circuito deve ser uma camada intermediária de sinal e imprensada entre as duas camadas de potência internas.Desta forma, o filme de cobre das duas camadas elétricas internas pode fornecer blindagem eletromagnética para transmissão de sinais de alta velocidade e também limitar efetivamente a radiação de sinais de alta velocidade entre as duas camadas elétricas internas sem causar interferência ao mundo exterior.

(4) Evite duas camadas de sinal diretamente adjacentes uma à outra.É fácil introduzir diafonia entre camadas de sinal adjacentes, o que pode levar à falha do circuito.Adicionar um plano de aterramento entre duas camadas de sinal pode efetivamente evitar diafonia.

(5) Múltiplas camadas elétricas internas aterradas podem efetivamente reduzir a impedância de aterramento.Por exemplo, o uso de planos de terra separados para a camada de sinal A e a camada de sinal B pode efetivamente reduzir a interferência de modo comum.

(6) Leve em consideração a simetria da estrutura da camada.

Estruturas laminadas comumente usadas

Segue-se um exemplo de uma placa de 4 camadas para ilustrar como preferir a disposição e combinação de várias estruturas laminadas.

Para uma placa de 4 camadas comumente usada, existem os seguintes tipos de empilhamento de camadas (da camada superior à camada inferior).

(1) Siganl_1 (superior), GND (interno_1), POWER (interno_2), Siganl_2 (inferior).

(2) Siganl_1 (superior), POWER (interno_1), GND (interno_2), Siganl_2 (inferior).

(3) POWER (superior), Siganl_1 (interno_1), GND (interno_2), Siganl_2 (inferior).

Obviamente, as camadas de energia e de terra da Opção 3 carecem de um acoplamento eficaz e não devem ser adoptadas.

Então, como devem ser selecionadas a Opção 1 e a Opção 2?Normalmente, os projetistas escolhem a Opção 1 como estrutura para uma placa de 4 camadas.A razão para esta escolha não é que a Opção 2 não possa ser usada, mas que os PCBs geralmente só colocam componentes na camada superior, portanto a Opção 1 é mais apropriada.No entanto, quando os componentes precisam ser colocados nas camadas superior e inferior, e a espessura dielétrica entre as camadas interna de energia e de aterramento é grande e o acoplamento é ruim, é necessário considerar qual camada possui menos linhas de sinal.Para a Opção 1, a camada inferior possui menos linhas de sinal e uma grande área de filme de cobre pode ser usada para acoplar à camada POWER;inversamente, se os componentes estiverem dispostos principalmente na camada inferior, a Opção 2 deverá ser escolhida para a placa.

Se a estrutura laminada for mostrada na Figura 11-1, então as próprias camadas de energia e de aterramento foram acopladas, levando em consideração os requisitos de simetria, uso geral do Esquema 1.

Depois de completar a análise da estrutura laminada da placa de 4 camadas, segue-se um exemplo de um método de combinação de placa de 6 camadas para ilustrar a disposição e combinação da estrutura laminada da placa de 6 camadas e o método preferido.

(1) Siganl_1 (superior), GND (interno_1), Siganl_2 (interno_2), Siganl_3 (interno_3), POWER (interno_4), Siganl_4 (inferior).

O esquema 1 adota 4 camadas de sinal e 2 camadas internas de alimentação/terra, com mais camadas de sinal, o que favorece o trabalho de fiação entre os componentes, mas os defeitos deste esquema também são mais óbvios, conforme mostrado nos dois aspectos a seguir.

① As camadas de energia e de aterramento estão bem separadas e não estão adequadamente acopladas.

② As camadas de sinal Siganl_2 (Inner_2) e Siganl_3 (Inner_3) são diretamente adjacentes uma à outra, e o isolamento do sinal não é bom e é fácil ocorrer diafonia.

2) Siganl_1 (superior), Siganl_2 (interno_1), POWER (interno_2), GND (interno_3), Siganl_3 (interno_4), Siganl_4 (inferior).

O Esquema 2 tem uma vantagem sobre o Esquema 1 porque as camadas de energia e terra estão adequadamente acopladas, mas os problemas das camadas de sinal Siganl_1 (Superior) e Siganl_2 (Inner_1) e Siganl_3 (Inner_4) e Siganl_4 (Inferior) são diretamente adjacentes umas às outras , com isolamento de sinal deficiente e suscetibilidade a diafonia não são resolvidos.

(3) Siganl_1 (superior), GND (interno_1), Siganl_2 (interno_2), POWER (interno_3), GND (interno_4), Siganl_3 (inferior).

Comparado ao Esquema 1 e ao Esquema 2, o Esquema 3 tem menos uma camada de sinal e mais uma camada elétrica interna.Embora o número de camadas disponíveis para fiação seja reduzido, o esquema resolve os defeitos comuns ao Esquema 1 e ao Esquema 2.

① As camadas de energia e de aterramento estão fortemente acopladas.

② Cada camada de sinal é diretamente adjacente à camada elétrica interna e há isolamento efetivo de todas as outras camadas de sinal, tornando menos provável a ocorrência de diafonia.

③ Siganl_2 (Inner_2) e as duas camadas elétricas internas GND (Inner_1) e POWER (Inner_3) são adjacentes uma à outra e podem ser usadas para transmitir sinais de alta velocidade.As duas camadas elétricas internas podem proteger efetivamente a interferência externa à camada Siganl_2 (Inner_2) e a camada Siganl_2 (Inner_2) à interferência externa.

Seleção do plano de referência

Quando o sinal de alta velocidade se propaga na linha de sinal, no processo de propagação direta do sinal, devido à existência de acoplamento capacitivo entre os planos de referência, quando ocorre dV/dt, haverá um fenômeno de que a corrente flui para a referência plano através do capacitor de acoplamento, e a posição abaixo da linha de transmissão terá uma corrente transitória fluindo de volta para o circuito fonte.

Quando a camada de fonte de alimentação é usada como plano de referência, a corrente de retorno do sinal fluirá primeiro para a camada de fonte de alimentação, depois fluirá para a rede terrestre através do Cpg entre a fonte de alimentação e a rede terrestre e, finalmente, fluirá para o circuito fonte através da camada de solo, formando finalmente um circuito completo de fonte de alimentação.É muito crítico controlar a impedância do loop de sinais de alta velocidade porque afeta diretamente as características de transmissão do sinal.

Teoricamente, como acontece com os planos de terra, as camadas de sinal de potência podem ser aplicadas a caminhos de retorno de sinal de baixa impedância.Assumindo uma quantidade suficiente de capacitância de bypass, a transmissão do plano de potência será tão boa quanto o aterramento, e um plano de potência e um plano de aterramento ou duas linhas de transmissão de fita de plano de potência funcionarão.Porém, quando o sinal é referenciado ao plano de potência, um dos caminhos de retorno que tem maior impacto no sinal é o canal capacitivo entre a potência Cpg e as redes terrestres.Pode ser uma distribuição complexa de capacitância de desacoplamento na rede de aterramento da fonte de alimentação, também pode conter uma capacitância plana entre os planos da camada de aterramento da fonte de alimentação, devido à complexidade da composição das características de impedância serem diferentes em cada ponto de frequência, é difícil quantificar e controlar, por isso é difícil estabelecer esta suposição.

Mesmo que a camada de potência esteja mais próxima da camada de sinal, o sinal de retorno será retornado à camada terrestre através da camada de potência, porque a entrada do sinal é baseada na camada terrestre como camada de referência.Mas se o desacoplamento não for bem feito, a impedância entre as camadas de potência e terra será grande, e então o sinal de retorno estará sujeito a uma grande impedância.

A camada de potência de referência do sinal trará a qualidade do sinal, a impedância entre a camada de aterramento da fonte de alimentação é o principal fator de influência, quanto maior a frequência do sinal, mais óbvia será a influência.**Claro, nem todos os sinais não podem ser referenciados à fonte de alimentação, especificamente quantas frequências, quais sinais podem ser referenciados à fonte de alimentação, dependendo do design real do PCB e da situação real da rede PDN, é melhor usar software de simulação para analisar e verificar.

Alguns projetos de sinal especificam um requisito para fazer referência à sua própria camada de fonte de alimentação. Por que isso acontece?

Isso ocorre porque os sinais internos do chip são referenciados à fonte de alimentação, por isso é melhor referenciar a fonte de alimentação no PCB.Mas a maior parte do chip no projeto de sinais de alta velocidade é referenciada ao solo, portanto, na maioria das diretrizes de projeto de sinais de alta velocidade, recomenda-se referir-se ao solo, embora na banda de alta frequência os capacitores de desacoplamento de potência mostrem características de baixa impedância. , desempenho de potência e terra para equipotencial, mas pelo desacoplamento dos capacitores com a localização da colocação do problema pode aumentar a área de retorno do sinal, afetando assim a qualidade do sinal, portanto, para a maioria dos sinais de alta velocidade, referência ao estatuto do melhor.