Leiterplattentechnisch - Kommunikationssignal zwischen Leiterplattenschichten

Nehmen Sie ESD als Beispiel

Signalstrom bei Schichtumwandlung

Zusammenfassung: Printed Leiterplatten, PCBs, und Signalpfade müssen oft die Layer im Board Stack ändern. In einigen Fällen, das kann Probleme verursachen. ESD-Beispiele werden verwendet, um zu veranschaulichen, unter welchen Bedingungen wechselnde Schichten Probleme verursachen können.

Signalweg durch

Diskussion: Der Routing-Pfad in der PCB Normalerweise muss der Pfad der Ebenen geändert werden, um das Layout zu vervollständigen. Für eine vierschichtige PCB, Dies bedeutet in der Regel, von der oberen Schicht der Leiterplatte in die untere Schicht zu wechseln, und die beiden mittleren Schichten sind Kraft und Boden. Vierschichtplatten sind besonders problematisch, da die Trennung zwischen Leistungs- und Bodenebene im Vergleich zu sechs oder mehr Schichten meist relativ groß ist, ca. 30 bis 40 mils.

Auf der oberen und unteren Ebene entspricht der Signalstrom seinem gespiegelten Rückstrom in der nahe gelegenen Erdungs- oder Leistungsebene. Wenn der Signalstrom von oben nach unten wechselt, kann es zu Schäden kommen, die die ESD-Leistung beeinträchtigen.

Alle Signale bilden eine Schleife, von der Quelle bis zum Laden und zurück zur Quelle. Es ist normalerweise der "Rückkehr" Teil des Weges, der uns in Schwierigkeiten bringt, wie wir in diesem speziellen Fall sehen werden. Der Rückstrom des Signals an der Unterseite der Unterseite der Unterseite folgt dem Signal an die Oberseite der Unterseite der Unterseite, aber es muss durch die Inter-Oberflächenimpedanz gehen, um den Boden der Oberseite zu erreichen, von wo aus es dem Signal an die Oberseite der Oberseite folgen kann.

Testboard mit ein- und zweilagigen Pfaden

Eine Möglichkeit, Impedanz Z zu betrachten, besteht darin, die beiden Ebenen als eine zweidimensionale Übertragungsleitung zu betrachten, die vom Signal über verläuft. Bypass-Kondensatoren bilden niederohmige "Kurzschlüsse" (obwohl Kurzschlüsse bei hohen Frequenzen nicht so gut sind, weil ihre Induktivität wichtig wird) und die Kanten der Leiterplatte sind normalerweise unbestimmte "offene Schaltkreise". Diese und andere Merkmale können Reflexionen verursachen, wodurch die Impedanz zwischen den Ebenen signifikant mit der Frequenz variiert, und für eine vierschichtige Platine mit einem Ebenenabstand von etwa 30 Mio kann sie bei bestimmten Frequenzen mehrere Ohm erreichen. Murphys Gesetz besagt, dass eine Spitze dieser Impedanz auf der dritten Oberschwingung der Taktfrequenz liegt!

Um diesen Effekt auszuwerten, habe ich ein Testboard gebaut, wie in Abbildung 2 gezeigt. Jede Signalspur ist ca. 30 cm lang. Die Verkabelung besteht aus einem 100-Ohm Twisted-Pair-Telefondrahtleiter. Wenn sie an der Bodenebene befestigt ist, bildet sie einen 50-Ohm-Pfad. Die Platine ist ein doppelt kupferbeschichtetes Laminat, und die gesamte Baugruppe simuliert ein vierlagiges PWB. Die beiden Kupferebenen liegen ca. 30 Mio. auseinander und werden über den SMA-Stecker links und den Lastwiderstand (vier Positionen) rechts zusammengedrückt. Ein Weg bleibt auf der einen Seite, während der andere Weg die Leiterplatte durchdringt und auf der anderen Seite etwa 10 cm verläuft.

Testboard mit ein- und zweilagigen Pfaden

Die Leiterplatte wird einer 3-kV-ESD-Kontaktentladung unterworfen, vom ESD-Simulator zum Ende eines 1-Meter-Kabels, das auf der Ebene in Abbildung 2 nahe der Mitte der rechten Kante befestigt ist, und die Mitte der linken Kante ist mit der Erde verbunden, um die Ladung von der Platine zu entladen.

EMI generiert durch ESD zum ersten Ebenenpfad

Zum Beispiel, das scheinbare Signal am SMA-Stecker des Pfades unten, wechselt das Signal Schichten von oben nach unten der Leiterplatte und dann zurück. In diesem Fall überschreitet das Spitzensignal am SMA-Stecker den 2-Volt-Peak und oszilliert mit der Eigenfrequenz des Bauteils. Für die meisten Logikschaltungen ist dieser Level definitiv ein Problem. Das erhöhte Rauschen im unteren Pfad ist auf den Spannungsabfall über die Leiterplattenimpedanz Z zurückzuführen, der durch ESD an jedem Übergang von einer Seite zur anderen verursacht wird. Diese Spannung erscheint in der Signal-/Rücklaufschaltung und erscheint daher auf dem SMA-Stecker.

Signal am SMA-Anschluss

EMI erzeugt durch ESD auf den zweischichtigen Pfad

Für den Fall, in dem der Abstand zwischen den Platinen viel weniger als 30-mils ist, ist die Impedanz zwischen den Platinen normalerweise geringer, und der Effekt in Abbildung 4 wird kleiner und es wird weniger Probleme geben. Wenn das kritische Signal von der Oberseite der Leiterplatte in der Nähe des vorhandenen (kostengünstigen) Bypass-Kondensators nach unten übergeht, kann der Einfluss auf die vierschichtige Leiterplatte ebenfalls minimiert werden.

Zusammenfassung: Die Umrechnung zwischen PWB Schichten können erhebliche Schäden am Signalweg verursachen. Je größer der Abstand zwischen Netzteil und Erdungsebene, je größer die Wirkung. Ein Beispiel für eine "vierschichtige" PWB Die Reaktion auf ESD zeigt eines der möglichen Probleme.