PCB Tecnico - Progettazione di strati multi-potenza

Multi-power layer design Scheda a 4 strati Ci sono diversi problemi potenziali con il design a 4 strati della scheda. Prima di tutto, la tradizionale scheda a quattro strati con uno spessore di 62 mil, anche se lo strato di segnale è sullo strato esterno, e gli strati di potenza e terra sono sullo strato interno, la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra è ancora troppo grande. Le seguenti due alternative alle tradizionali schede a 4 strati. Entrambe queste soluzioni possono migliorare le prestazioni di soppressione EMI, ma sono adatte solo per applicazioni dove la densità dei componenti sulla scheda è abbastanza bassa e c'è abbastanza spazio intorno ai componenti (posizionare lo strato di rame richiesto dell'alimentazione elettrica). La prima è la soluzione preferita. Gli strati esterni del PCB sono tutti strati di terra e i due strati centrali sono strati di segnale / potenza. L'alimentazione elettrica sullo strato del segnale è instradata con una linea ampia, che può rendere bassa l'impedenza del percorso della corrente dell'alimentazione elettrica e anche l'impedenza del percorso del microscatto del segnale è bassa. Dal punto di vista del controllo EMI, questa è la migliore struttura PCB a 4 strati disponibile. Nel secondo schema, lo strato esterno utilizza potenza e terra, e i due strati centrali utilizzano segnali. Rispetto alla tradizionale scheda a 4 strati, il miglioramento è più piccolo e l'impedenza tra strati è povera come la tradizionale scheda a 4 strati.

Se si desidera controllare l'impedenza di traccia, lo schema di impilamento di cui sopra deve essere molto attento a sistemare le tracce sotto le isole di potenza e rame macinato. Inoltre, le isole di rame dell'alimentazione elettrica o dello strato di terra dovrebbero essere interconnesse il più possibile per garantire la connettività DC e a bassa frequenza.

Scheda a 6 strati Se la densità dei componenti su una scheda a 4 strati è relativamente alta, una scheda a 6 strati è la migliore. Tuttavia, alcuni schemi di impilamento nel design della scheda a 6 strati non sono abbastanza buoni per schermare il campo elettromagnetico e hanno poco effetto sulla riduzione del segnale transitorio del bus di alimentazione. Di seguito vengono discussi due esempi. Nel primo esempio, l'alimentazione elettrica e la terra sono posizionati rispettivamente sul 2 ° e 5 ° strato. A causa dell'elevata impedenza di rame dell'alimentatore, è molto sfavorevole controllare la radiazione EMI in modalità comune. Tuttavia, dal punto di vista del controllo dell'impedenza del segnale, questo metodo è molto corretto. Nel secondo esempio, l'alimentatore e il terreno sono posizionati rispettivamente sul 3° e 4° strato. Questo design risolve il problema dell'impedenza di rame dell'alimentazione elettrica. A causa delle scarse prestazioni di schermatura elettromagnetica del 1 ° e 6 ° strato, il modo differenziale EMI è aumentato. Se il numero di linee di segnale sui due strati esterni è il minimo e la lunghezza della traccia è molto breve (inferiore a 1/20 della lunghezza d'onda dell'armonica più alta del segnale), questo disegno può risolvere il problema EMI di modalità differenziale. Riempire l'area senza componenti e senza tracce sullo strato esterno con rame e macinare l'area rivestita di rame (ogni lunghezza d'onda 1/20 come intervallo), che è particolarmente buona per sopprimere EMI in modo differenziale. Come accennato in precedenza, è necessario collegare l'area in rame con il piano di terra interno in più punti. Il design generale a 6 strati ad alte prestazioni dispone generalmente il primo e il sesto strato come strati di terra, e il terzo e quarto strato sono utilizzati per potenza e terra. Poiché ci sono due doppi strati di linea del segnale microstrip nel mezzo tra lo strato di potenza e lo strato di terra, la capacità di soppressione EMI è eccellente. Lo svantaggio di questo design è che ci sono solo due strati di routing. Come accennato in precedenza, se le tracce esterne sono corte e il rame viene posato nell'area traceless, lo stesso impilamento può essere ottenuto anche con una tradizionale scheda a 6 strati. Un altro layout della scheda a 6 strati è segnale, terra, segnale, potere, terra, segnale, che può realizzare l'ambiente richiesto per la progettazione avanzata dell'integrità del segnale. Lo strato di segnale è adiacente allo strato di terra e lo strato di potenza e lo strato di terra sono accoppiati. Ovviamente, lo svantaggio è l'accatastamento sbilanciato degli strati. La soluzione al problema consiste nel riempire tutte le aree vuote del terzo strato con rame. Dopo che il rame è riempito, se la densità di rame del terzo strato è vicina allo strato di potenza o allo strato di terra, questa scheda non può essere strettamente considerata come un circuito stampato strutturalmente bilanciato. L'area riempita di rame deve essere collegata all'alimentazione o alla messa a terra. La distanza tra i vias di connessione è ancora 1/20 lunghezza d'onda, e potrebbe non essere necessario connettersi ovunque, ma dovrebbe essere collegato in circostanze ideali.

Scheda a 10 strati Poiché lo strato isolante tra le schede multistrato è molto sottile, l'impedenza tra i 10 o 12 strati del circuito è molto bassa. Finché non ci sono problemi con la stratificazione e l'impilamento, si può aspettare un'eccellente integrità del segnale. È più difficile produrre schede a 12 strati con uno spessore di 62mil e non ci sono molti produttori che possono elaborare schede a 12 strati. Poiché c'è sempre uno strato isolante tra lo strato del segnale e lo strato del loop, la soluzione di assegnare i 6 strati centrali per instradare le linee del segnale in un design di scheda a 10 strati non è la migliore. Inoltre, è importante rendere lo strato del segnale adiacente allo strato del loop, cioè, il layout della scheda è segnale, terra, segnale, segnale, potenza, terra, segnale, segnale, segnale, terra e segnale. Questo disegno fornisce un buon percorso per la corrente del segnale e la sua corrente di loop. La strategia di cablaggio corretta è quella di instradare i fili nella direzione X sul primo strato, le direzioni Y sul terzo strato, e le direzioni X sul quarto strato, e così via. Guardando il instradamento intuitivamente, il primo strato 1 e il terzo strato sono una coppia di combinazioni stratificate, il quarto e il settimo strato sono una coppia di combinazioni stratificate, e l'ottavo e il decimo strato sono l'ultima coppia di combinazioni stratificate. Quando è necessario cambiare la direzione di routing, la linea del segnale sul primo strato dovrebbe utilizzare la "via" per raggiungere il terzo strato e quindi cambiare la direzione. Infatti, potrebbe non essere sempre possibile farlo, ma come concetto di design, deve essere seguito il più possibile. Allo stesso modo, quando la direzione di instradamento del segnale cambia, dovrebbe passare dall'ottavo e decimo strato o dal quarto al settimo strato attraverso vias. Questo cablaggio assicura l'accoppiamento più stretto tra il percorso in avanti del segnale e il loop. Ad esempio, se il segnale viene instradato sul primo livello e il loop viene instradato sul secondo livello e solo sul secondo livello, allora il segnale sul primo livello viene trasferito al terzo livello attraverso la "via". Il ciclo è ancora sul secondo strato, in modo da mantenere le caratteristiche di bassa induttanza, grande capacità e buone prestazioni di schermatura elettromagnetica. E se il cablaggio vero e proprio non fosse così? Ad esempio, la linea del segnale sul primo strato passa attraverso il foro via al decimo strato. In questo momento, il segnale loop deve trovare il piano di terra dal 9 ° strato e la corrente loop deve trovare il terreno più vicino via (come il perno di terra di una resistenza o condensatore) . Se vi capita di essere una tale via nelle vicinanze, siete davvero fortunati. Se non c'è tale vicino via foro disponibile, l'induttanza diventerà più grande, la capacità sarà ridotta e l'EMI aumenterà sicuramente. Quando la linea di segnale deve lasciare l'attuale coppia di strati di cablaggio ad altri strati di cablaggio attraverso vias, vias di terra dovrebbero essere posizionati vicino ai vias in modo che il segnale loop possa tornare allo strato di messa a terra appropriato senza intoppi. Per la combinazione stratificata del 4 ° e 7 ° strato, il ciclo di segnale ritornerà dallo strato di potenza o dallo strato di terra (cioè, il 5 ° o 6 ° strato), perché l'accoppiamento capacitivo tra lo strato di potenza e lo strato di terra è buono e il segnale è facile da trasmettere.

Se due strati di potenza della stessa sorgente di tensione devono produrre grandi correnti, il circuito stampato dovrebbe essere disposto in due set di strati di potenza e strati di terra. In questo caso, uno strato isolante viene posizionato tra ogni coppia di strati di potenza e terra. In questo modo, otteniamo le due coppie di barre del bus di potenza con impedenze uguali che dividono la corrente che ci aspettiamo. Se l'impilamento degli strati di potenza causa l'impedenza disuguale, lo shunt non sarà uniforme, la tensione transitoria sarà molto più grande e l'EMI aumenterà bruscamente. Se ci sono più tensioni di alimentazione con valori diversi sul circuito stampato, più strati di alimentazione sono richiesti di conseguenza. Ricordate di creare il proprio alimentatore accoppiato e strati di terra per diversi alimentatori. Nei due casi di cui sopra, quando si determina la posizione dello strato di potenza accoppiato e dello strato di terra sul circuito stampato, tenere a mente i requisiti del produttore per la struttura equilibrata.