Dati PCB - Come progettare uno stackup di schede PCB

Ogni strato in un Scheda PCB svolge un ruolo specifico nella determinazione del comportamento elettrico. Gli strati del piano del segnale trasportano energia e segnali elettrici tra i componenti, ma a meno che non si posiziona correttamente piani di rame negli strati interni, potrebbero non funzionare correttamente. Oltre ai livelli del segnale, il Scheda PCB necessita anche di potenza e piani di terra, e hai bisogno di metterli nel Scheda PCB stack-up per assicurarsi che la nuova scheda funzioni correttamente. Allora dove sono i poteri?, terra, e livelli di segnale posizionati? Questo è uno dei dibattiti di lunga data Scheda PCB progettazione, obbligare i progettisti a considerare attentamente l'applicazione prevista della loro scheda, la funzionalità dei componenti, e le tolleranze del segnale sulla scheda. Se comprendi i limiti della variazione di impedenza, jitter, increspatura di tensione vs. Impedenza PDN, e rifiuto crosstalk, è possibile determinare la corretta disposizione dei livelli di segnale e piano da posizionare sulla scheda. Dare vita al tuo intento progettuale richiede il giusto Scheda PCB set di strumenti di progettazione. Che tu voglia creare una semplice scheda a due strati o un PCB ad alta velocità con decine di strati, Scheda PCB Il software di progettazione deve essere adatto a qualsiasi applicazione.

Quando si definisce una pila di piani di segnale, i progettisti entry-level possono essere inclini a portare le cose all'estremo. Servono solo due strati per tavola o uno strato dedicato per punto piccolo. La risposta corretta è da qualche parte nel mezzo, a seconda del numero di reti sulla scheda, il livello accettabile di ripple/jitter nel circuito, la presenza di segnali misti, ecc. In generalee, se la prova di concetto funziona bene su un breadboard, è possibile utilizzare qualsiasi tecnica di layout che si desidera su una scheda a due strati e c'è una buona probabilità che la scheda funzionerà. In molti casi, potrebbe essere necessario utilizzare un metodo di messa a terra della griglia per i segnali ad alta velocità per fornire un grado di soppressione EMI. Per dispositivi più complessi che operano ad alta velocità o ad alte frequenze (o entrambe), avrai bisogno di almeno quattro stack-up di schede PCB, tra cui un piano di potenza, un piano di terra e due piani di segnale. Nel determinare il numero richiesto di livelli di piano del segnale, la prima considerazione è il numero di reti di segnale e la larghezza approssimativa e la distanza tra i segnali. Quando si sta cercando di stimare il numero di livelli di segnale richiesti in uno stack, ci sono due passaggi di base che è possibile eseguire:

Determinazione del conteggio netto: Un semplice conteggio netto dalle dimensioni schematiche e proposte della scheda può essere utilizzato per stimare il numero di livelli di segnale richiesti sulla scheda. Il numero di strati è solitamente proporzionale al punteggio (net*trace width)/(board width). In altre parole, più reti con tracce più ampie devono rendere la scheda più grande o utilizzare più strati di segnale. È necessario utilizzare l'esperienza predefinita qui per determinare il numero esatto di livelli di segnale necessari per ospitare tutte le reti in una determinata dimensione della scheda.

Aggiungi i tuoi livelli piani: se hai bisogno di instradamento ad impedenza controllata per i tuoi livelli di segnale, ora devi posizionare livelli di riferimento per ogni livello di segnale ad impedenza controllata. Se i componenti sono densamente imballati, è necessario un piano di potenza sotto lo strato del componente perché non c'è abbastanza spazio sullo strato superficiale per ospitare le guide elettriche. Ciò può comportare un numero a due cifre di strati superficiali richiesti per schede HDI ad alto valore netto, ma lo strato di riferimento fornirà schermatura e impedenza caratteristica coerente. Una volta determinato il numero corretto di strati per una scheda multistrato, è possibile passare alla disposizione del numero di strati nello stack-up della scheda PCB.

Progettazione dello stack-up PCB

Il passo successivo nella progettazione di stack-up PCB è quello di organizzare ogni strato per fornire percorsi di traccia. I laminati sono solitamente disposti simmetricamente intorno ad un nucleo centrale per evitare deformazioni durante l'assemblaggio e la manipolazione ad alta temperatura. Il posizionamento dei livelli piani e del segnale è fondamentale per il routing controllato dall'impedenza perché è necessario utilizzare equazioni specifiche per diversi posizionamenti di traccia per garantire che l'impedenza sia controllata. Per i progetti di stack-up rigidi-flex, è necessario definire diverse regioni nello stack-up per le regioni rigide-flex. Lo strumento di progettazione dello stack layer in Allegro semplifica questo processo. Dopo che lo schema è stato catturato come layout di scheda PCB vuota, è possibile definire stack di strati e definire transizioni attraverso i diversi livelli. È quindi possibile procedere a determinare la dimensione di traccia richiesta per il routing ad impedenza controllata.

Stripline vs Microstrip e Impedenza Controllata

Per controllare l'impedenza, le tracce instradate sullo strato interno tra i due strati planari dovrebbero essere progettate utilizzando l'equazione di impedenza stripline. Questa equazione definisce la geometria necessaria affinché una stripline abbia uno specifico valore di impedenza caratteristica. Poiché ci sono tre diversi parametri geometrici nell'equazione per determinare l'impedenza, è facile determinare prima il numero di strati richiesti, in quanto ciò determinerà lo spessore dello strato per un dato spessore della scheda. I pesi di rame per gli strati interni del piano del segnale sono tipicamente 0,5 o 1 oz./sq. ft. Questo utilizza la larghezza di traccia come parametro per determinare una specifica impedenza caratteristica. Lo stesso processo si applica alle linee microstrip sullo strato superficiale. Dopo aver determinato lo spessore dello strato e il peso del rame, è sufficiente determinare la larghezza della traccia che definisce l'impedenza caratteristica. Gli strumenti di progettazione della scheda PCB includono un calcolatore di impedenza che può aiutarti a dimensionare le tracce in modo che definiscano la loro impedenza caratteristica. Se è necessario utilizzare coppie differenziali, basta definire le tracce in ogni livello come coppie differenziali e il calcolatore di impedenza determinerà la corretta spaziatura tra le tracce. Quando instradati sulla scheda reale, possono essere accoppiati capacitivamente o induttivamente ad altre tracce e conduttori. La capacità parassitica e l'induttanza dai conduttori vicini possono cambiare l'impedenza della traccia nel layout reale. Per assicurarsi di aver raggiunto l'obiettivo di impedenza per tutti i livelli dello stack, è necessario uno strumento di analisi dell'impedenza per monitorare l'impedenza in tutta la rete di segnale selezionata. Se si vedono cambiamenti inaccettabili nel layout della scheda PCB, è possibile selezionare rapidamente tracce e regolare il routing per eliminare questi cambiamenti di impedenza nell'interconnessione. la distanza tra le tracce in quest'area deve essere regolata per eliminare questa variazione di impedenza o portarla entro tolleranze accettabili. È possibile definire la tolleranza di impedenza desiderata nelle regole di progettazione, e lo strumento di calcolo dell'impedenza post-layout controllerà il routing rispetto al valore di impedenza desiderato. Nella discussione di cui sopra, abbiamo guardato solo i segnali digitali perché sono più esigenti dei sistemi analogici. Che ne dici di una scheda analogica o mista? Per le schede analogiche, l'integrità dell'alimentazione è molto più facile, ma l'integrità del segnale è molto più difficile. Per le schede a segnale misto, è necessario combinare l'approccio digitale mostrato sopra con l'approccio analogico descritto qui.

La larghezza di banda di un segnale digitale può essere estesa ad una certa alta frequenza, di solito, la frequenza angolare è presa come frequenza di un segnale binario. La frequenza d'angolo è di circa 0,35/(tempo di salita), e per un segnale con un tempo di salita di 1ns, la frequenza d'angolo è 350MHz. Per segnali digitali più veloci fino a circa 20ps, la frequenza del ginocchio ora si estende a 17,5GHz. Per i segnali analogici, la larghezza di banda è molto più stretta, devi solo preoccuparti dell'impedenza del piano di potenza e della perdita di inserzione/ritorno all'interno di tale larghezza di banda. Ciò semplifica l'integrità dell'alimentazione e l'integrità del segnale. Qualsiasi perdita o alta impedenza PDN nella catena del segnale al di fuori di questa larghezza di banda è trascurabile.

Isolamento del segnale

Un'altra opzione è più aggressiva e richiede l'uso di polvere di rame macinata o attraverso recinzioni per garantire l'isolamento tra le diverse parti della scheda. Se si esegue la colata a terra accanto alle tracce analogiche, si è appena creato una guida d'onda complanare, che ha un alto isolamento ed è una scelta comune per il routing di segnali analogici ad alta frequenza. Se si devono utilizzare recinzioni o altre strutture di isolamento conduttive ad alta frequenza, il risolutore di campo elettromagnetico deve essere utilizzato per esaminare l'isolamento e determinare se è necessario selezionare l'isolamento in diversi strati di segnale.

Piano di rimpatrio

La miscelazione di segnali analogici e digitali sulla scheda impone requisiti rigorosi per il monitoraggio delle correnti di spostamento del loop di terra e l'isolamento tra sezioni digitali e analogiche della scheda. Il layout della scheda dovrebbe garantire che i percorsi di ritorno analogici non si intersecano vicino ai componenti digitali e viceversa. Questo separa semplicemente i segnali digitali e analogici in diversi strati separati dai rispettivi piani di terra. Anche se questo aggiunge costi, assicura l'isolamento tra le diverse parti. I componenti analogici possono anche richiedere strisce di alimentazione analogiche dedicate se sono prelevati da alimentazione CA. Al di fuori dell'elettronica di potenza, questo è un caso raro, ma concettualmente è facile da gestire fintanto che è possibile analizzare la pianificazione del percorso di ritorno. Se la sezione di alimentazione analogica è posizionata a monte e separata dalla sezione del segnale digitale, un singolo piano di potenza può essere dedicato a entrambi i segnali. L'interferenza tra diverse sezioni di potenza e terra può essere evitata se il percorso di ritorno è pianificato correttamente. Per sezioni di alimentazione DC con regolatori di commutazione, il rumore di commutazione della sezione DC deve essere separato dalla sezione AC, così come i segnali digitali devono essere separati dai segnali analogici sul Scheda PCB.