Blogue PCB - Comment concevoir une pile de carte PCB

Chaque couche de la carte PCB joue un rôle spécifique dans la détermination du comportement électrique. Les couches de plan de signal transmettent l'alimentation et les signaux électriques entre les composants, mais elles peuvent ne pas fonctionner correctement à moins que le plan de cuivre ne soit correctement placé dans la couche interne. En plus de la couche de signal, votre carte PCB a besoin d'une alimentation et d'un plan de masse que vous devez placer dans votre pile de cartes PCB pour vous assurer que la nouvelle carte fonctionne correctement. Alors, où sont placées les couches d'alimentation, de mise à la terre et de signal? C'est l'un des débats de longue date dans la conception des cartes PCB qui oblige les concepteurs à réfléchir soigneusement à l'application prévue de leurs cartes, aux fonctions des composants et aux tolérances de signal sur les cartes. Si vous comprenez les limites de la variation d'impédance, de la gigue, de l'ondulation de tension par rapport à l'impédance PDN et de la suppression de diaphonie, vous pouvez déterminer l'alignement correct des couches de signal et des couches planes à placer sur la carte. Transformer vos intentions de conception en réalité nécessite le bon ensemble d'outils de conception de carte PCB. Que vous souhaitiez créer une simple carte à double couche ou un PCB à haute vitesse avec des dizaines de couches, le logiciel de conception de carte PCB doit convenir à toutes les applications.

Lors de la définition d'une pile de plan de signal, les concepteurs d'entrée de gamme peuvent avoir tendance à pousser les choses à l'extrême. Ils n'ont besoin que de deux couches par plaque ou d'une couche dédiée par petit point. La bonne réponse se situe entre les deux, en fonction du nombre de réseaux sur la carte, du niveau acceptable d'ondulation / Gigue dans le circuit, de la présence de signaux mixtes, etc. en général, si votre preuve de concept fonctionne bien sur une carte d'essai, vous pouvez utiliser n'importe quelle technique de mise en page que vous préférez sur une carte à double couche, et il y a de bonnes chances que la carte fonctionne. Dans de nombreux cas, vous devrez peut - être utiliser une méthode de mise à la terre du Réseau pour les signaux à grande vitesse afin de fournir un certain degré de suppression EMI. Pour les appareils plus complexes fonctionnant à haute vitesse ou à haute fréquence (ou les deux), vous aurez besoin d'au moins quatre empilements de cartes PCB, dont un plan d'alimentation, un plan de masse et deux plans de signal. Lors de la détermination du nombre de couches de plan de signal souhaité, la première chose à considérer est le nombre de réseaux de signaux ainsi que la largeur approximative et l'espacement entre les signaux. Lorsque vous essayez d'estimer le nombre de couches de signal dont vous avez besoin dans votre pile, vous pouvez suivre deux étapes de base:

Détermination du comptage net: un comptage net simple peut être utilisé pour estimer le nombre de couches de signal nécessaires sur la carte, en fonction du schéma et de la taille de la carte proposée. Le nombre de couches est généralement proportionnel au score (net * Track width) / (Board width). En d'autres termes, plus de réseaux avec des traces plus larges nécessitent de rendre la carte plus grande ou d'utiliser plus de couches de signal. Vous devez utiliser l'expérience ici par défaut pour déterminer le nombre exact de couches de signal nécessaires pour accueillir tous les réseaux d'une taille de carte donnée.

Ajouter des couches planes: Si vous avez besoin d'un routage à impédance contrôlée pour les couches de signal, vous devez maintenant placer une couche de référence pour chaque couche de signal à impédance contrôlée. Si les composants sont densément empilés, un plan d'alimentation doit être placé sous la couche de composants, car il n'y a pas assez d'espace sur la peau pour accueillir les guides d'alimentation. Cela peut conduire à un nombre de couches de surface à deux chiffres requis pour une carte HDI à valeur nette élevée, mais la couche de référence fournira un blindage et une impédance caractéristique cohérente. Une fois que vous avez déterminé le nombre correct de couches pour un panneau multicouche, vous pouvez continuer à organiser le nombre de couches dans votre pile de cartes PCB.

Concevoir une pile de PCB

La prochaine étape dans la conception de l'empilement de PCB consiste à aligner chaque couche pour fournir un chemin de trace. Les stratifiés sont généralement disposés symétriquement autour d'un noyau central pour éviter le gauchissement lors de l'assemblage et de la manutention à haute température. Le placement des couches planes et de signal est essentiel pour le câblage de contrôle d'impédance, car vous devez utiliser des équations spécifiques pour différents placements de trace pour vous assurer que l'impédance est contrôlée. Pour les conceptions combinées rigides et souples, il est nécessaire de définir différentes zones pour les zones rigides et souples dans la combinaison. Les outils de conception de couches dans Allegro facilitent ce processus. Une fois le schéma capturé en tant que disposition de carte PCB vierge, l'empilement de couches peut être défini et les transitions à travers les différentes couches peuvent être définies. Vous pouvez ensuite procéder à la détermination de la taille de trace requise pour le routage à impédance contrôlée.

Ligne microruban et ligne microruban et impédance de contrôle

Pour contrôler l'impédance, les équations d'impédance de ligne de ruban doivent être utilisées pour concevoir des traces de câblage sur la couche interne entre deux couches planes. Cette équation définit la géométrie nécessaire pour qu'une ligne à ruban ait une valeur d'impédance caractéristique particulière. Comme il y a trois paramètres géométriques différents dans l'équation pour déterminer l'impédance, il est facile de déterminer d'abord le nombre de couches nécessaires, car cela déterminera l'épaisseur de la couche pour une épaisseur de plaque donnée. Le poids de cuivre de la couche de plan de signal interne est généralement de 0,5 ou 1 once par pied carré. Cela utilise la largeur de la piste comme paramètre pour déterminer l'impédance caractéristique spécifique. Le même processus s'applique aux lignes microruban sur la couche superficielle. Après avoir déterminé l'épaisseur de la couche et le poids du cuivre, il vous suffit de déterminer la largeur de la trace qui définit l'impédance caractéristique. L'outil de conception de carte PCB comprend un calculateur d'impédance qui peut vous aider à déterminer la taille de la trace et donc à définir son impédance caractéristique. Si vous avez besoin d'utiliser des paires différentielles, définissez simplement les traces dans chaque couche comme des paires différentielles et le calculateur d'impédance déterminera l'espacement correct entre les traces. Lorsqu'ils sont câblés sur une carte réelle, ils peuvent être couplés capacitivement ou inductivement à d'autres traces et conducteurs. La capacité parasite et l'inductance des conducteurs voisins modifient l'impédance des traces dans la disposition réelle. Pour vous assurer que vous avez atteint vos objectifs d'impédance pour toutes les couches de votre pile, vous aurez besoin d'un outil d'analyse d'impédance pour suivre l'impédance de l'ensemble du réseau de signaux sélectionné. Si vous voyez de grands changements inacceptables dans la disposition de la carte PCB, vous pouvez rapidement sélectionner les traces et ajuster le câblage pour éliminer ces changements d'impédance dans l'interconnexion. Où les grandes variations d'impédance le long des traces sont marquées en rouge. L'espacement entre les traces de cette zone doit être ajusté pour éliminer ces variations d'impédance ou les placer dans des tolérances acceptables. Vous pouvez définir les tolérances d'impédance souhaitées dans les règles de conception et l'outil calculateur d'impédance après la mise en page vérifiera le câblage en fonction de la valeur d'impédance souhaitée. Dans la discussion ci - dessus, nous avons examiné uniquement les signaux numériques, car ils sont plus exigeants que les systèmes analogiques. Que diriez - vous d'un tableau de signal analogique ou hybride complet? Avec les cartes analogiques, l'intégrité de l'alimentation est beaucoup plus facile, mais l'intégrité du signal est beaucoup plus difficile. Pour les tableaux à signaux mixtes, vous devez combiner la méthode numérique présentée ci - dessus avec la méthode analogique décrite ici.

La bande passante d'un signal numérique peut être étendue à une certaine fréquence élevée, typiquement avec une fréquence angulaire comme fréquence d'un signal binaire. La fréquence angulaire est de l'ordre de 0,35 / (temps de montée), soit 350 MHz pour un signal ayant un temps de montée de 1 ns. La fréquence du point d'inflexion s'étend maintenant à 17,5 GHz pour les signaux numériques allant jusqu'à environ 20 ps. pour les signaux analogiques, la bande passante est beaucoup plus étroite et vous n'avez qu'à vous soucier de l'impédance du plan de puissance et des pertes d'insertion / retour dans cette bande passante. Cela facilite l'intégrité de l'alimentation et l'intégrité du signal. Toute perte ou impédance PDN élevée dans la chaîne de signaux en dehors de cette bande passante est négligeable.

Isolation du signal

L'autre option est plus agressive et nécessite l'utilisation de poudre de cuivre mise à la terre ou à travers une clôture pour assurer l'isolation entre les différentes parties de la plaque. Si vous effectuez une coulée de terre à côté d'une piste analogique, vous venez de créer un guide d'onde coplanaire qui a une isolation élevée et est un choix commun pour le routage de signaux analogiques à haute fréquence. Si vous utilisez une clôture ou une autre structure d'isolation conductrice à haute fréquence, vous devez utiliser un solveur de champ électromagnétique pour vérifier l'isolation et déterminer si l'isolation dans les différentes couches de signal doit être sélectionnée.

Programme de retour

Le mélange des signaux analogiques et numériques sur la carte impose des exigences strictes pour le suivi du courant de déplacement de la boucle de terre et l'isolation entre les parties de la carte numérique et analogique. La disposition de la carte doit être telle que les boucles analogiques ne se croisent pas à proximité des éléments numériques et vice versa. Cela sépare simplement les signaux numériques et analogiques en différentes couches séparées par leurs plans de sol respectifs. Bien que cela augmente les coûts, il assure une isolation entre les différents composants. Si les composants analogiques sont extraits d'une alimentation secteur, ils peuvent également nécessiter une carte d'alimentation analogique dédiée. C'est un cas rare en dehors de l'électronique de puissance, mais conceptuellement, il est facile à gérer tant que vous pouvez analyser la planification du chemin de retour. Si la Section de puissance analogique est placée en amont et séparée de la Section de signal numérique, un seul plan de puissance peut être dédié aux deux signaux. Si le chemin de retour est correctement planifié, les interférences entre les différentes sections d'alimentation et de mise à la terre peuvent être évitées. Pour une Section d'alimentation DC avec un régulateur de commutation, le bruit de commutation de la section DC doit être séparé de la section AC, tout comme le signal numérique sur une carte PCB doit être séparé du signal analogique.