Teknik PCB - isyarat komunikasi antara lapisan PCB

Ambil ESD sebagai contoh

Isyarat semasa dalam penukaran lapisan

Abstrakt: Papan sirkuit cetak, PCB, dan laluan isyarat mesti sering mengubah lapisan dalam tumpukan papan. Dalam beberapa kes, ini boleh menyebabkan masalah. Contoh ESD digunakan untuk memperlihatkan keadaan di bawah mana perubahan lapisan boleh menyebabkan masalah.

Laluan isyarat melalui

Diskusi: Laluan laluan dalam PCB biasanya memerlukan mengubah laluan lapisan untuk menyelesaikan bentangan. Untuk PCB empat lapisan, ini biasanya bermaksud berubah dari lapisan atas papan sirkuit ke lapisan bawah, dan dua lapisan tengah adalah kuasa dan tanah. Papan empat lapisan sangat problematik kerana pemisahan antara kapal tenaga dan kapal tanah biasanya relatif besar dibandingkan dengan enam lapisan atau lebih, kira-kira 30 hingga 40 mils.

Pada lapisan atas dan bawah, semasa isyarat sepadan dengan semasa kembali cermin dalam pesawat tanah atau kuasa terdekat. Sebagaimana isyarat semasa mengubah lapisan dari atas ke bawah, kerosakan yang mempengaruhi prestasi ESD mungkin berlaku.

Semua isyarat membentuk gelung, dari sumber ke muatan, dan kembali ke sumber. Ia biasanya bahagian "kembali" jalan yang membuat kita dalam masalah, seperti yang kita akan lihat dalam kes tertentu ini. Semasa kembali isyarat di bawah permukaan bawah mengikut isyarat ke atas permukaan bawah, tetapi ia mesti melewati impedance antar-permukaan untuk mencapai bawah permukaan atas, dari mana ia boleh mengikut isyarat ke atas permukaan atas.

Papan ujian dengan laluan satu lapisan dan dua lapisan

Satu cara untuk mempertimbangkan impedance Z adalah untuk memikirkan kedua-dua pesawat sebagai garis transmisi dua-dimensi yang memperluas dari isyarat melalui. Kondensator bypass membentuk "sirkuit pendek" yang rendah (walaupun sirkuit pendek tidak begitu baik pada frekuensi yang cukup tinggi kerana induktan mereka menjadi penting) dan pinggir papan sirkuit biasanya tidak terganggu "sirkuit terbuka". Ciri-ciri ini dan ciri-ciri lain boleh menyebabkan refleksi, menyebabkan impedance antara pesawat berbeza secara signifikan dengan frekuensi, dan untuk papan empat lapisan dengan ruang pesawat sekitar 30 mils, ia boleh mencapai beberapa ohms pada frekuensi tertentu. Hukum Murphy menyatakan bahwa puncak impedance ini akan berada di harmonik ketiga frekuensi jam!

Untuk menilai kesan ini, saya bina papan ujian seperti yang dipaparkan dalam Figur 2. Setiap jejak isyarat panjang sekitar 30 cm. Kabel ini terdiri dari konduktor wayar telefon berpasangan 100 ohm. Apabila dipasang ke pesawat tanah, ia membentuk laluan 50 ohm. Papan ini adalah laminat lapisan tembaga ganda, dan seluruh kumpulan simulasi PWB empat lapisan. Dua pesawat tembaga berpecah sekitar 30 mils dan dikurangkan bersama-sama melalui sambungan SMA di sebelah kiri dan resistor muatan (empat kedudukan) di sebelah kanan. Satu laluan tetap di satu sisi, sementara laluan yang lain menembus papan sirkuit dan berjalan sekitar 10 cm di sisi lain.

Papan ujian dengan laluan satu lapisan dan dua lapisan

Papan sirkuit dijalankan 3 kV pembebasan kenalan ESD, dari simulator ESD hingga hujung kabel 1 meter, yang ditetapkan pada pesawat yang dipaparkan dalam Gambar 2 dekat tengah pinggir kanan, dan tengah pinggir kiri disambung ke tanah untuk melepaskan muatan dari papan.

EMI dijana oleh ESD ke laluan lapisan pertama

Contohnya, isyarat tampak pada sambungan SMA laluan di bawah, isyarat mengubah lapisan dari atas ke bawah papan sirkuit dan kemudian kembali. Dalam kes ini, isyarat puncak pada sambungan SMA melebihi puncak 2 volt dan oscil pada frekuensi alami komponen. Untuk kebanyakan litar logik, aras ini pasti masalah. Bunyi meningkat di laluan bawah disebabkan jatuh tegangan di seluruh impedance Z disebabkan oleh ESD pada setiap transisi dari satu sisi papan ke sisi lain. Tekanan ini muncul dalam sirkuit isyarat/balik dan oleh itu muncul pada sambungan SMA.

Isyarat pada sambungan SMA

EMI dijana oleh ESD ke laluan dua lapisan

Untuk kes di mana jarak antara papan jauh lebih kurang dari 30 mils, impedance antara papan biasanya akan lebih rendah, dan kesan yang dipaparkan dalam Gambar 4 akan lebih kecil dan akan ada lebih sedikit masalah. Jika transisi isyarat kritik dari atas papan sirkuit yang dekat dengan kondensator bypass yang ada (biaya rendah) ke bawah, kesan pada papan sirkuit empat lapisan juga boleh diminumkan.

Ringkasan: Penukaran antara lapisan PWB boleh menyebabkan kerosakan yang signifikan pada laluan isyarat. Semakin jauh antara bekalan kuasa dan pesawat tanah, semakin besar kesan. Contoh PWB "empat lapisan" yang menjawab ESD menunjukkan salah satu masalah yang mungkin.