PCB Tecnico - Come progettare l'impilamento del piano di segnale laminato PCB

Ogni strato in un PCB svolge un ruolo specifico nel determinare il comportamento elettrico. Lo strato del piano del segnale trasporta energia e segnali elettrici tra i componenti, ma a meno che non si posiziona correttamente il piano di rame nello strato interno, potrebbero non funzionare correttamente. Oltre allo strato di segnale, il tuo PCB ha bisogno di un alimentatore e di uno strato di terra e devi metterli nello stack PCB per assicurarti che la nuova scheda funzioni.

Dove sono posizionati gli strati di alimentazione, messa a terra e segnale? Questa è una delle questioni a lungo dibattute nella progettazione di PCB, costringendo i progettisti a considerare attentamente l'uso previsto delle loro schede, la funzione dei loro componenti e la tolleranza del segnale sulle schede. Se comprendi i limiti della variazione di impedenza, del jitter, dell'ondulazione di tensione e dell'impedenza PDN e della soppressione del crosstalk, puoi determinare la corretta disposizione degli strati del segnale e degli strati piani da posizionare sulla scheda.

In generale, se il proof-of-concept funziona su un breadboard, è possibile utilizzare qualsiasi tecnica di layout preferita su una scheda a due strati, e molto probabilmente la scheda funzionerà. Potrebbe essere necessario utilizzare un approccio di messa a terra della rete per gestire i segnali ad alta velocità per fornire un grado di soppressione EMI. Per apparecchiature più complesse che funzionano ad alta velocità o ad alta frequenza (o entrambi), è necessario almeno quattro strati PCB, tra cui lo strato di potenza, lo strato di terra e due strati 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 tenta di stimare il numero di livelli di segnale richiesti in uno stack, è possibile eseguire due passaggi di base:

Determinare il conteggio netto: Il numero di livelli di segnale richiesti sulla scheda può essere stimato utilizzando il conteggio netto semplice in th

lo schema e la dimensione proposta della scheda. Il numero di strati è solitamente proporzionale alla frazione (netto * larghezza linea)/(larghezza tavola). In altre parole, più reti con linee più larghe richiedono schede più grandi o più strati di segnale. È necessario utilizzare l'esperienza qui di default per determinare il numero esatto di livelli di segnale necessari per ospitare tutte le reti a una determinata dimensione della scheda.

Aggiungi il tuo livello piatto: Se hai bisogno di instradare lo strato di segnale con impedenza controllata, ora devi posizionare uno strato di riferimento per ogni livello di segnale di 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 la guida di potenza. Ciò può comportare un numero a doppia cifra di strati superficiali necessari per una scheda 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 il multistrato, è possibile procedere a organizzare il numero di strati nello stack PCB.

Laminazione PCB di progettazione

Il passo successivo nella progettazione di laminazione PCB è quello di organizzare ogni strato per fornire routing. Le lamine sono solitamente disposte simmetricamente intorno al nucleo centrale per evitare deformazioni durante l'assemblaggio e il funzionamento ad alta temperatura. Il layout dello strato piano e dello strato del segnale è fondamentale per il cablaggio controllato dall'impedenza, perché è necessario utilizzare equazioni specifiche per diverse configurazioni di cablaggio per garantire il controllo dell'impedenza.

Per la progettazione di laminato rigido-flessibile, è necessario definire diverse regioni nel laminato per regioni rigide-flessibili. Lo strumento di progettazione layer-stack di Allegro semplifica questo processo. Dopo aver catturato lo schema come layout PCB vuoto, è possibile definire lo stack di layer e la transizione attraverso i diversi livelli. Si può quindi procedere a determinare le dimensioni del cablaggio richieste per il cablaggio ad impedenza controllata.

Linee a nastro e microstrip e impedenza controllata

Per controllare l'impedenza, il cablaggio dello strato interno tra due strati planari dovrebbe essere progettato utilizzando l'equazione dell'impedenza della linea di striscia. L'equazione definisce la geometria richiesta a una linea di nastro per avere uno specifico valore di impedenza caratteristica. Poiché ci sono tre diversi parametri geometrici nell'equazione per determinare l'impedenza, l'approccio semplice consiste nel determinare prima il numero di strati richiesti, in quanto ciò determinerà lo spessore dello strato per un dato spessore della piastra. Il peso di rame dello strato piano del segnale interno è solitamente 0,5 o 1oz./ Il ft. Questo utilizza la larghezza della linea come parametro per determinare l'impedenza di una particolare 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 linea utilizzata per definire l'impedenza caratteristica. Gli strumenti di progettazione PCB includono un calcolatore di impedenza che può aiutarti a determinare le dimensioni del cablaggio in modo che definiscano il cha

Impedenza racteristica. Se è richiesta una coppia di differenze, è sufficiente definire le linee in ogni livello come coppia di differenza e il calcolatore dell'impedenza determinerà la corretta spaziatura tra le linee.

Possono essere accoppiati elettricamente o induttivamente ad altre tracce e conduttori durante il cablaggio sulla scheda reale. La capacità parassitica e l'induttanza dai conduttori vicini possono cambiare l'impedenza del cablaggio nel layout reale. Per garantire di aver raggiunto gli obiettivi di impedenza per tutti i livelli dello stack, è necessario uno strumento di analisi dell'impedenza per monitorare l'impedenza attraverso l'intera rete di segnale selezionata. Se si vedono cambiamenti inaccettabili nel layout PCB, è possibile selezionare rapidamente il cablaggio e regolare il cablaggio per eliminare questi cambiamenti di impedenza nell'interconnessione.

Le grandi variazioni di impedenza lungo la traccia sono marcate in rosso. La distanza tra le tracce in quest'area deve essere regolata per eliminare questo cambiamento di impedenza o portarla entro tolleranze accettabili. È possibile definire le tolleranze di impedenza desiderate nelle regole di progettazione, e dopo il layout lo strumento di calcolo dell'impedenza controllerà il cablaggio rispetto ai valori di impedenza desiderati.

Nella discussione di cui sopra, abbiamo studiato solo segnali digitali perché sono più esigenti dei sistemi analogici. Che ne dici di una scheda analogica completa o di una scheda a segnale misto? 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.

Isolamento del segnale

Un'altra opzione è più, richiedendo l'uso di polvere di rame a terra o recinzioni per garantire l'isolamento tra le diverse parti della scheda. Se la colata a terra viene eseguita accanto al cablaggio analogico, è stata appena creata una guida d'onda complanare con alto isolamento ed è una scelta comune per l'instradamento di segnali analogici ad alta frequenza. Se si vogliono utilizzare recinzioni o altre strutture di isolamento conduttive ad alta frequenza, si dovrebbe utilizzare un risolutore di campo elettromagnetico per controllare l'isolamento e determinare se l'isolamento in uno strato di segnale diverso deve essere scelto.

Il piano del viaggio di ritorno

La miscelazione di segnali analogici e digitali sulla piastra impone requisiti rigorosi sul tracciamento della corrente di spostamento del loop di messa a terra e sull'isolamento tra le parti digitali e analogiche della piastra. Il circuito stampato deve essere predisposto in modo che i percorsi di ritorno analogici non si intersecano vicino ai componenti digitali e viceversa. Questo divide semplicemente i segnali digitali e analogici in diversi strati separati dai rispettivi strati di terra. Anche se questo aggiunge al costo, garantisce l'isolamento tra le diverse parti.

Se il componente analogico viene estratto da un alimentatore CA, il componente analogico potrebbe richiedere anche una scheda di alimentazione analogica dedicata. Al di fuori dell'elettronica di potenza, questa è una situazione rara, ma concettualmente facile da gestire fintanto che è possibile analizzare la pianificazione del percorso di ritorno. Un singolo piano di alimentazione può essere dedicato ad entrambi i segnali se la parte di alimentazione analogica è posizionata a monte e separata dalla parte del segnale digitale. Se il percorso di ritorno è pianificato correttamente, è possibile evitare interferenze tra le diverse parti di alimentazione e messa a terra. Per un alimentatore DC con regolatore di commutazione, il rumore di commutazione dalla parte DC deve essere separato dalla parte AC, così come i segnali digitali devono essere separati dai segnali analogici.