L'actualité PCB - Problèmes d'empilement dans la conception de PCB haute vitesse

Avec l'apparition continue de circuits à grande vitesse, la complexité des cartes PCB augmente. Pour éviter les interférences des facteurs électriques, il est nécessaire de séparer les couches de signal et d'alimentation, d'où la conception de PCB multicouches. Dans la conception de panneaux multicouches, la disposition des couches est particulièrement importante. Une bonne conception de l'empilement réduira considérablement l'impact de l'EMI et de la diaphonie. Dans la discussion ci - dessous, nous analyserons spécifiquement comment la conception de la pile affecte les performances électriques des circuits à grande vitesse.

Un Carte multicouche et couche de cuivre (plat) par rapport à la carte PCB normale, dans la conception de la carte multicouche, en plus d'ajouter la couche de câblage de signal nécessaire, le plus important est de disposer une alimentation indépendante et une couche de terre (couche de cuivre). Dans les systèmes de circuits numériques à grande vitesse, Les avantages de l'utilisation de l'alimentation et de la terre pour remplacer les lignes d'alimentation et de terre précédentes sont principalement les suivants: fournir une tension de référence stable pour la conversion du signal numérique.l'alimentation uniforme simultanée de chaque dispositif logique supprime efficacement la diaphonie entre les signaux.la raison en est que l'utilisation d'une grande surface de cuivre comme source d'alimentation et couche de terre réduit considérablement la résistance Entre l'alimentation et la terre, en rendant la tension sur la couche d'alimentation très uniforme et stable, on peut s'assurer que chaque ligne de signal a un plan de masse serré qui lui correspond. En même temps, l'impédance caractéristique de la ligne de signal est réduite, ce qui est également très bénéfique pour réduire efficacement La diaphonie. Ainsi, pour certaines conceptions de circuits haut de gamme à haut débit, il a été clairement spécifié que des solutions d'empilement à 6 couches (ou plus) doivent être utilisées, telles que les exigences d'Intel pour les cartes PCB de modules mémoire pc133. Ceci est principalement dû au fait que les propriétés électriques des plaques multicouches, ainsi que la capacité à inhiber le rayonnement électromagnétique et même à résister aux dommages physiques et mécaniques, sont nettement supérieures à celles des cartes PCB de couche inférieure. Si l'on considère le facteur de coût, ce n'est pas que plus les couches coûtent cher, car le coût d'une carte PCB n'est pas seulement lié au nombre de couches, mais aussi à la densité du câblage par unité de surface. Après avoir réduit le nombre de couches, l'espace de câblage sera inévitablement réduit, ce qui augmentera la densité des traces et devra même réduire les exigences de conception en réduisant la largeur des lignes et en raccourcissant l'espacement. En général, l'augmentation des coûts induite par ceux - ci peut dépasser le coût réduit par la réduction de l'empilement. Couplée à la dégradation des performances électriques, cette approche est souvent contre - productive. Par conséquent, pour un designer, il est essentiel de penser à tous les égards.

Deux Effet de la couche de terre sur le signal à haute fréquence si nous prenons le câblage micro - bande PCB comme modèle de ligne de transmission, la couche de terre peut également être considérée comme faisant partie de la ligne de transmission. Ici, la notion de « boucle» peut être utilisée pour remplacer la notion de « sol». La couche de cuivre à la terre est en fait le chemin de retour d'une ligne de signal. La couche d'alimentation et la couche de terre sont reliées par un grand nombre de condensateurs de découplage. Dans le cas du courant alternatif, la couche d'alimentation et la couche de terre peuvent être considérées comme équivalentes. Quelle est la différence entre les boucles de courant à basse et haute fréquence? Comme on peut le voir sur la figure ci - dessous, à basse fréquence, le courant circule en retour le long du chemin où la résistance est minimale, tandis qu'à haute fréquence, il circule le long du chemin où l'inductance est minimale. Le retour de boucle est également le chemin où l'impédance est minimale, le courant de boucle étant concentré et distribué directement sous les traces du signal. Aux hautes fréquences, lorsque les fils sont disposés directement sur la couche de masse, le courant de boucle doit circuler directement de la couche de câblage sous le trajet du signal d'origine vers la source de signal, même en présence de boucles plus courtes. Ce chemin a une impédance minimale, c'est - à - dire une inductance. Capacité minimale et maximale. Cette méthode d'inhibition du champ électrique par un couplage capacitif important et d'inhibition du champ magnétique par un couplage inductif faible pour maintenir une faible réactance est appelée auto - blindage. La formule suivante reflète la loi selon laquelle la densité de courant sur le trajet de retour sous la ligne de signal varie en fonction de diverses conditions: de la formule, on peut conclure que sur la boucle de courant, plus la distance de la ligne de signal est proche, plus la densité de courant est grande. Dans ce cas, l'ensemble de la boucle a une surface minimale et une inductance minimale. En même temps, on peut imaginer que si la ligne de signal et la boucle sont très proches, les courants sont à peu près les mêmes pour les deux et de sens opposés. Les champs magnétiques créés dans l'espace extérieur peuvent s'annuler les uns les autres, de sorte que l'EMI du monde extérieur est également faible. Il est donc préférable de s'assurer que chaque couche de câblage de signal présente une couche de terre étanche correspondent à la disposition empilée. Considérez maintenant le problème de diaphonie sur le plan du sol. Dans les circuits numériques haute fréquence, la raison principale de la diaphonie est le résultat du couplage inductif. Comme on peut le voir à partir de la formule de distribution de densité de courant de boucle ci - dessus, lorsque plusieurs lignes de signal sont relativement proches, les courants de boucle mutuels se chevauchent. À ce stade, les champs magnétiques entre les deux interfèrent inévitablement les uns avec les autres, créant ainsi un bruit diaphonique. L'amplitude de la tension de diaphonie est liée à la distance d entre les lignes de signal, à la hauteur H du plan de masse et au coefficient K, comme le montre la figure suivante: dans la formule, K est lié au temps de montée du signal et à la longueur des lignes de signal interférant entre elles. Pour les configurations empilées, il ne fait aucun doute que la réduction de la distance entre la couche de signal et la couche de terre réduira efficacement la diaphonie de la couche de terre. Dans la mise en page réelle de PCB, de tels problèmes sont souvent rencontrés. Si vous ne faites pas attention à la pose de cuivre pour l'alimentation et la mise à la terre, des rainures isolées peuvent apparaître dans la zone de pose du cuivre. Cette condition est généralement due à la porosité excessive. Cela est dû à une conception déraisonnable de la zone d'isolement ou de la porosité (comme illustré). Il en résulte un ralentissement du temps de montée et une augmentation de la surface de boucle, ce qui conduit à une augmentation de l'inductance et donc à la création facile de diaphonie et d'EMI inutiles. Il faut éviter ce phénomène: l'inductance accrue due à l'enroulement du courant de boucle peut s'exprimer grossièrement: l = 5dln (D / w) d Représente la distance verticale de la ligne de signal à l'extrémité la plus proche de la fente de coupure et W est la largeur de ligne de la trace.

Trois Plusieurs schémas et analyses typiques de superposition après avoir appris les bases ci - dessus, nous pouvons dessiner un schéma de conception de superposition correspondant. En général, essayez de respecter les règles suivantes:

Les couches de cuivre sont de préférence disposées par paires. Par exemple, 2, 5 ou 3, 4 couches d'un panneau de six couches devraient être en cuivre ensemble. Ceci est dû à l'exigence d'une structure équilibrée dans le processus, car une couche de cuivre déséquilibrée peut provoquer une déformation de gauchissement du PCB de la carte. La couche de signal et la couche de cuivre doivent être placées à intervalles, Et chaque couche de signal peut de préférence être adjacente à au moins une couche de cuivre. La réduction de la distance entre l'alimentation et la couche de terre favorise la stabilité de l'alimentation et la réduction de l'EMI. Dans le cas de vitesses très élevées, une couche de terre supplémentaire peut être ajoutée pour isoler la couche de signal, mais il est conseillé de ne pas ajouter plus de couche d'alimentation pour isoler, Cela peut entraîner des nuisances sonores inutiles. Mais la réalité est que les différents facteurs mentionnés ci - dessus ne peuvent pas être satisfaits simultanément. À ce stade, nous devons envisager une solution relativement raisonnable. Plusieurs options typiques de conception de stratifié sont analysées ci - dessous: la conception de stratifié de quatre couches est d'abord analysée. En général, pour les circuits à grande vitesse plus complexes, il est préférable de ne pas utiliser un panneau à 4 couches, car il présente de nombreux facteurs d'instabilité en termes de caractéristiques physiques et électriques. Si vous devez concevoir un panneau à quatre couches, vous pouvez envisager de le configurer comme suit: signal d'alimentation à la terre. Il existe une meilleure solution: les deux couches externes sont mises à la terre et la couche interne utilise deux couches de câbles d'alimentation et de signaux. Cette solution est la meilleure solution d'empilage pour la conception de panneaux à quatre couches. Il a un bon effet inhibiteur sur l'EMI tout en étant très favorable à la réduction de l'impédance de la ligne de signal. Les cartes avec une densité de câblage plus élevée sont difficiles. Ce qui suit met l'accent sur la conception d'empilement de six couches de panneaux. De nombreuses cartes utilisent maintenant la technologie de carte à 6 couches, par exemple la conception de cartes PCB de modules de mémoire. La plupart d'entre eux utilisent des panneaux de 6 couches (les modules de stockage haute capacité peuvent utiliser des panneaux de 10 couches). L'empilement le plus traditionnel de 6 couches est arrangé de cette façon: signal de mise à la terre signal d'alimentation. Cette disposition est raisonnable du point de vue du contrôle d'impédance, mais relativement raisonnable en raison de l'éloignement de l'alimentation du plan de masse, l'effet de rayonnement d'un petit mode commun Emi n'est pas très bon. Si vous changez les zones de cuivre aux couches 3 et 4, cela entraîne un mauvais contrôle de l'impédance du signal et un fort EMI en mode différentiel. Il existe également un plan pour augmenter la couche de mise à la terre, la disposition est la suivante: signal de mise à la terre signal d'alimentation du signal de mise à la terre, de sorte que l'environnement requis pour la conception de l'intégrité du signal à grande vitesse peut être atteint, soit du point de vue du contrôle de l'impédance ou du point de vue de la réduction de l'EMI. Mais l'inconvénient est que l'empilement des couches est déséquilibré. La troisième couche est une couche de câblage du signal, mais la quatrième couche correspondante est une couche de puissance avec une grande surface de cuivre. Cela peut rencontrer des problèmes dans la fabrication de PCB. Lors de la conception, toutes les zones vides sur la troisième couche peuvent être recouvertes de cuivre pour obtenir l'effet d'une structure approximativement équilibrée. Des implémentations de circuits plus complexes nécessitent l'utilisation de la technologie à dix couches. La carte PCB à 10 couches a une couche diélectrique isolante très mince et la couche de signal peut être très proche du plan de masse. De cette façon, les variations d'impédance entre les couches sont bien contrôlées. En général, les concepteurs peuvent facilement réaliser des conceptions de cartes haute vitesse de haute qualité tant qu'il n'y a pas d'erreurs graves de conception d'empilement. Si le câblage est très complexe et nécessite plus de couches de câblage, nous pouvons configurer la pile comme suit: signal signal de terre signal d'alimentation signal, bien sûr, cette situation n'est pas la meilleure pour nous. Oui, nous exigeons que les traces de signal soient disposées dans un petit nombre de couches, mais pour isoler les autres couches de signal avec une couche de terre redondante, Donc, le schéma d'empilement le plus commun est: Signal - signal de terre - signal - alimentation - signal de terre, vous pouvez voir que trois couches de terre sont utilisées ici et qu'une seule source est utilisée (nous ne considérons que le cas d'une seule source). En effet, bien que la couche de puissance ait le même effet de contrôle d'impédance que la couche de sol, la tension sur la couche de puissance est plus perturbée, les harmoniques supérieurs sont plus nombreux et l'EMI sur le monde extérieur est également fort, donc elle va de pair avec le signal. Comme la couche de fil, il est préférable d'être blindé par le plan de masse. Dans le même temps, si l'isolation est réalisée avec une couche de puissance excédentaire, le courant de boucle doit être converti du plan de masse au plan de puissance par un condensateur de découplage. De cette façon, une chute de tension trop importante sur le condensateur de découplage entraînera un effet de bruit inutile.

Quatre Aperçu seuls quelques - uns des problèmes rencontrés dans la conception d'empilement de PCB sont discutés ci - dessus. Les circonstances particulières doivent être déterminées en fonction de la situation réelle. Dans les limites des capacités, il est souvent nécessaire de tenir compte de la qualité du signal et du coût. Tout en réalisant la conception du schéma de laminage selon les principes théoriques ci - dessus, nous devons également tenir compte de certains autres principes de câblage pour l'adapter, tels que l'orientation de chaque couche, la définition de la largeur de la ligne d'alimentation de la couche de signal et le placement des condensateurs de découplage, etc. Ce n'est qu'en tenant compte de divers facteurs que nous pouvons enfin concevoir une carte de circuit plus performante.

Ce qui précède est une introduction aux problèmes d'empilement dans la conception de PCB à grande vitesse. IPCB est également fourni aux fabricants de PCB et à la technologie de fabrication de PCB.