Technologie PCB - Signaux de communication entre les couches PCB

ESD par exemple

Conversion de courant de signal dans la couche

Résumé: les circuits imprimés, les circuits imprimés et les chemins de signal doivent changer fréquemment de couche dans l'empilement de cartes. Dans certains cas, cela peut causer des problèmes. L'exemple ESD est utilisé pour illustrer les conditions dans lesquelles un changement de couche peut causer des problèmes.

Chemin du signal passé

Discussion: le chemin de câblage dans un PCB nécessite généralement de changer le chemin de la couche pour terminer la mise en page. Pour un PCB à quatre couches, cela signifie généralement passer de la couche supérieure à la couche inférieure de la carte, les deux couches intermédiaires étant l'alimentation et la terre. Les plaques à quatre couches sont particulièrement problématiques car l'écart entre le plan d'alimentation et le plan de masse est généralement relativement important par rapport à six couches ou plus (de l'ordre de 30 à 40 mils).

Aux niveaux supérieur et inférieur, le courant de signal correspond à son courant de retour miroir dans le plan de masse ou d'alimentation à proximité. Lorsque le courant du signal change de couche de haut en bas, des dommages affectant les performances ESD peuvent se produire.

Tous les signaux forment une boucle, de la source au chargement et de retour à la source. Comme nous le verrons dans ce cas particulier, c'est souvent la partie "retour" du chemin qui nous cause des problèmes. Le courant de retour du signal au bas de la surface inférieure suit le signal jusqu'au Haut de la surface inférieure, mais il doit traverser l'impédance inter - surface pour atteindre le bas de la surface supérieure, d'où il peut suivre le signal jusqu'au Haut de la surface supérieure.

Plaques de test avec des chemins à une et deux couches

Une façon de considérer l'impédance Z est de considérer les deux plans comme des lignes de transmission bidimensionnelles s'étendant à partir des Vias de signal. Les condensateurs de dérivation forment un "court - circuit" de faible impédance (bien que les courts - circuits ne soient pas aussi bons à des fréquences suffisamment élevées, car leur inductance devient importante) et les bords de la carte sont généralement des "circuits ouverts" non terminés. Ces caractéristiques et d'autres provoquent des réflexions conduisant à des variations importantes de l'impédance entre les plans en fonction de la fréquence, pouvant atteindre quelques ohms à certaines fréquences pour des plaques à quatre couches dont les plans sont espacés d'environ 30 mils. La loi de Murphy stipule que le pic de cette impédance sera à la troisième harmonique de la fréquence d'horloge!

Pour évaluer cet effet, j'ai construit une plaque de test, comme le montre la figure 2. Chaque trace de signal mesure environ 30 cm de long. Le câblage se compose d'un fil téléphonique à Paire torsadée de 100 ohms. Lorsqu'il est connecté au plan de masse, il forme un chemin de 50 ohms. La plaque est un stratifié de cuivre à double couche et l'ensemble simule un pwb à quatre couches. Les deux plans de cuivre sont distants d'environ 30 mils et sont court - circuités ensemble par un connecteur SMA à gauche et une résistance de charge (quatre positions) à droite. Un chemin reste d'un côté, tandis que l'autre traverse la planche et s'étend sur environ 10 cm de l'autre côté.

Plaques de test avec des chemins à une et deux couches

La carte est soumise à une décharge de contact ESD de 3 kV depuis le simulateur ESD jusqu'à l'extrémité d'un câble de 1 mètre fixé sur le plan de la figure 2, près du milieu du bord droit, le milieu du bord gauche étant relié à la masse pour libérer les charges de la carte.

EMI généré par ESD sur le chemin de la première couche

Par exemple, un signal évident au niveau du connecteur SMA du chemin inférieur, le signal passe du haut vers le bas de la carte, puis revient. Dans ce cas, le signal de crête au niveau du connecteur SMA dépasse un pic de 2 volts et oscille à la fréquence propre du composant. Ce niveau est certainement un problème pour la plupart des circuits logiques. Le bruit croissant dans le trajet inférieur est dû à la chute de tension aux bornes de l'impédance Z de la plaque induite par ESD à chaque transition d'un côté à l'autre de la plaque. Cette tension apparaît dans le signal / boucle et donc sur le connecteur SMA.

Signal au connecteur SMA

EMI généré par ESD pour un chemin à deux couches

Dans le cas où la distance entre les plaques est très inférieure à 30 mils, l'impédance entre les plaques sera généralement plus faible, l'effet illustré sur la figure 4 sera plus faible et moins problématique. L'impact sur la carte à quatre couches peut également être minimisé si les signaux critiques sont convertis du haut vers le bas de la carte à proximité des condensateurs de dérivation existants (à faible coût).

Résumé: les transitions entre les couches pwb peuvent causer de graves dommages au chemin du signal. Plus la distance entre l'alimentation et le plan de masse est grande, plus l'impact est important. Un exemple de "quatre couches" pwb répondant ESD montre l'un des problèmes possibles.