Leiterplattentechnisch - So entwerfen Sie PCB laminierte Signalebene Stapeln

Jede Schicht in einer Leiterplatte spielt eine spezifische Rolle bei der Bestimmung des elektrischen Verhaltens. Die Signalebene transportiert Strom- und elektrische Signale zwischen Komponenten, aber wenn Sie die Kupferebene nicht richtig in die innere Schicht platzieren, funktionieren sie möglicherweise nicht richtig. Zusätzlich zur Signalschicht benötigt Ihre Leiterplatte eine Stromversorgung und eine Masseschicht, und Sie müssen sie in den Leiterplattenstapel legen, um sicherzustellen, dass die neue Leiterplatte funktioniert.

Wo ist die Macht, Erdungs- und Signalschichten platziert? Dies ist eines der lang diskutierten Themen in PCB-Design, Designer zu zwingen, sorgfältig über die beabsichtigte Verwendung ihrer Platten nachzudenken, die Funktion ihrer Komponenten, und die Signaltoleranz auf den Platinen. Wenn Sie die Grenzen der Impedanzvariation verstehen, Jitter, Spannungswelligkeit und PDN Impedanz, und Unterdrückung des Übersprechens, Sie können die korrekte Anordnung der Signal- und Ebenenschichten bestimmen, die auf der Platine platziert werden sollen.

Im Allgemeinen, wenn Ihr Proof-of-Concept auf einem Breadboard funktioniert, können Sie jede bevorzugte Layouttechnik auf einem zweilagigen Board verwenden, und das Board wird höchstwahrscheinlich funktionieren. Möglicherweise müssen Sie einen Grid-Erdungsansatz verwenden, um Hochgeschwindigkeitssignale zu verarbeiten, um ein gewisses Maß an EMI-Unterdrückung zu gewährleisten. Für komplexere Geräte, die mit hoher Geschwindigkeit oder hoher Frequenz (oder beides) laufen, benötigen Sie mindestens vier Leiterplattenschichten, einschließlich der Leistungsschicht, der Masseschicht und zwei Signalschichten.

Bei der Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Signalebenen ist zunächst die Anzahl der Signalnetze sowie die ungefähre Breite und Abstand zwischen Signalen zu berücksichtigen. Wenn Sie versuchen, die Anzahl der benötigten Signalschichten in einem Stack zu schätzen, können Sie zwei grundlegende Schritte ausführen:

Ermittlung der Netzanzahl: Die Anzahl der benötigten Signalschichten auf der Platine kann anhand der einfachen Netzanzahl in t

e Schaltplan und die vorgeschlagene Leiterplattengröße. Die Anzahl der Schichten ist in der Regel proportional zum Bruch (Nettolinienbreite)/(Leiterplattenbreite). Mit anderen Worten, mehr Netzwerke mit breiteren Leitungen erfordern größere Boards oder mehr Signalschichten. Sie müssen die Erfahrung hier standardmäßig verwenden, um die genaue Anzahl der Signalschichten zu bestimmen, die benötigt werden, um alle Netzwerke bei einer bestimmten Platinengröße unterzubringen.

Fügen Sie Ihre flache Schicht hinzu: Wenn Sie die Signalschicht mit kontrollierter Impedanz routen müssen, müssen Sie jetzt eine Referenzschicht für jede gesteuerte Impedanzsignalschicht platzieren. Sind die Bauteile dicht verpackt, ist eine Leistungsebene unterhalb der Bauteilschicht erforderlich, da auf der Oberflächenschicht nicht genügend Platz für die Leistungsführung vorhanden ist. Dies kann zu einer zweistelligen Anzahl von Oberflächenschichten führen, die für eine hochwertige HDI-Platine erforderlich sind, aber die Referenzschicht bietet Abschirmung und konstante charakteristische Impedanz.

Sobald die richtige Anzahl von Schichten für die Multilayer bestimmt ist, können Sie die Anzahl der Schichten im PCB-Stapel anordnen.

Design PCB Laminierung

Der nächste Schritt im PCB-Laminierungsdesign besteht darin, jede Schicht so anzuordnen, dass sie Routing bietet. Ihre Laminierungen sind in der Regel symmetrisch um den zentralen Kern angeordnet, um ein Verformen bei Hochtemperaturmontage und -betrieb zu verhindern. Das Layout der ebenen Schicht und der Signalschicht ist entscheidend für impedanzgesteuerte Verdrahtung, da Sie spezifische Gleichungen für verschiedene Verdrahtungsanordnungen verwenden müssen, um Impedanzkontrolle zu gewährleisten.

Für starr-flexibles Laminatdesign müssen Sie verschiedene Bereiche im Laminat für starr-flexible Bereiche definieren. Das Layer-Stack Design Tool in Allegro macht diesen Prozess einfach. Nachdem Sie den Schaltplan als leeres PCB-Layout erfasst haben, können Sie den Layerstapel und den Übergang durch die verschiedenen Ebenen definieren. Anschließend können Sie die für die kontrollierte Impedanzkabelung erforderlichen Verdrahtungsmaße bestimmen.

Ribbon Lines und Microstrip Lines und kontrollierte Impedanz

Um die Impedanz zu steuern, sollte die Verdrahtung der inneren Schicht zwischen zwei planaren Schichten unter Verwendung der Bandleitungsimpedanzgleichung entworfen werden. Die Gleichung definiert die Geometrie, die erforderlich ist, damit eine Flachbandlinie einen spezifischen charakteristischen Impedanzwert aufweist. Da es drei verschiedene geometrische Parameter in der Gleichung zur Bestimmung der Impedanz gibt, besteht der einfache Ansatz darin, zuerst die Anzahl der erforderlichen Schichten zu bestimmen, da dies die Schichtdicke für eine gegebene Plattendicke bestimmt. Das Kupfergewicht der internen Signalebene Schicht beträgt normalerweise 0,5 oder 1oz./sq. Die ft. Hiermit wird die Linienbreite als Parameter verwendet, um die Impedanz einer bestimmten Kennlinie zu bestimmen.

Das gleiche Verfahren gilt für Mikrostreifenlinien auf der Oberflächenschicht. Nach der Bestimmung der Schichtdicke und des Kupfergewichts müssen Sie nur die Linienbreite bestimmen, mit der die charakteristische Impedanz definiert wird. PCB-Design-Tools umfassen einen Impedanzrechner, der Ihnen helfen kann, die Größe der Verkabelung zu bestimmen, so dass sie die cha

rakteristische Impedanz. Wenn ein Differenzpaar benötigt wird, definieren Sie einfach die Linien in jeder Ebene als Differenzpaar und der Impedanzrechner ermittelt den richtigen Abstand zwischen den Linien.

Sie können während der Verdrahtung auf der eigentlichen Platine elektrisch oder induktiv mit anderen Leiterbahnen und Leitern gekoppelt sein. Parasitische Kapazität und Induktivität von nahe gelegenen Leitern können die Verdrahtungsimpedanz im tatsächlichen Layout ändern. Um sicherzustellen, dass Sie Ihre Impedanz-Ziele für alle Schichten im Stack erreicht haben, benötigen Sie ein Impedanzanalysetool, um die Impedanz über das gesamte ausgewählte Signalnetzwerk zu verfolgen. Wenn Sie unannehmbare große Änderungen im PCB-Layout sehen, können Sie schnell die Verkabelung auswählen und die Verkabelung anpassen, um diese Impedanzänderungen in der Verbindung zu beseitigen.

Die großen Impedanzänderungen entlang der Leiterbahn sind rot markiert. Der Abstand zwischen Leiterbahnen in diesem Bereich sollte angepasst werden, um diese Impedanzänderung zu beseitigen oder in akzeptable Toleranzen zu bringen. Sie können die gewünschten Impedanztoleranzen in den Konstruktionsregeln definieren und nach dem Layout überprüft der Impedanzrechner die Verkabelung mit den gewünschten Impedanzwerten.

In der obigen Diskussion haben wir nur digitale Signale untersucht, weil sie anspruchsvoller sind als analoge Systeme. Wie wäre es mit einer vollständigen analogen Platine oder einer Mixed Signal Platine? Für analoge Platinen ist die Stromintegrität viel einfacher, aber die Signalintegrität ist viel schwieriger. Bei Mixed-Signal-Boards müssen Sie den oben gezeigten digitalen Ansatz mit dem hier beschriebenen analogen Ansatz kombinieren.

Signalisolierung

Eine weitere Option ist mehr, die die Verwendung von geerdetem Kupferpulver oder Zäunen erfordert, um die Isolierung zwischen verschiedenen Teilen der Platte zu gewährleisten. Wird neben der analogen Verdrahtung Ground Casting durchgeführt, wurde gerade ein koplanarer Wellenleiter mit hoher Isolation erstellt und ist eine gängige Wahl für die Weiterleitung von hochfrequenten analogen Signalen. Sollen Zäune oder andere hochfrequente leitfähige Isolationsstrukturen verwendet werden, sollte ein elektromagnetischer Feldlöser verwendet werden, um die Isolation zu überprüfen und festzustellen, ob eine Isolation in einer anderen Signalschicht gewählt werden sollte.

Der Rückreiseplan

Das Mischen von analogen und digitalen Signalen auf der Platte stellt strenge Anforderungen an die Verfolgung des Verschiebstroms der Erdungsschleife und die Trennung zwischen den digitalen und analogen Plattenteilen. Die Leiterplatte muss so angeordnet sein, dass analoge Rückwege sich nicht in der Nähe der digitalen Bauteile kreuzen und umgekehrt. Dadurch werden die digitalen und analogen Signale einfach in verschiedene Schichten unterteilt, die durch ihre jeweiligen Masseschichten getrennt sind. Obwohl dies zu den Kosten beiträgt, gewährleistet es die Isolierung zwischen den verschiedenen Teilen.

Wenn die analoge Komponente aus einer Wechselstromversorgung extrahiert wird, benötigt die analoge Komponente möglicherweise auch eine dedizierte analoge Netzplatine. Außerhalb der Leistungselektronik ist dies eine seltene Situation, aber konzeptionell einfach zu handhaben, solange man die Rücklaufplanung analysieren kann. Eine einzelne Leistungsebene kann beiden Signalen zugewiesen werden, wenn der analoge Leistungsabschnitt vor und getrennt vom digitalen Signalabschnitt platziert wird. Wenn der Rückweg richtig geplant ist, können Störungen zwischen den verschiedenen Leistungs- und Erdungsteilen verhindert werden. Für eine Gleichstromversorgung mit Schaltregler muss das Schaltrauschen vom Gleichstromteil vom Wechselstromteil getrennt werden, ebenso wie digitale Signale von analogen Signalen.