1. المبادئ الأساسية للتصميم المكدس
بشكل عام، يجب أن يتبع التصميم المكدس قاعدتين:
- يجب أن يكون لكل طبقة توجيه طبقة مرجعية قريبة. يمكن أن تكون الطبقة المرجعية مستوى طاقة أو مستوى أرضي.
- حافظ على مستوى الطاقة الرئيسي والمستوى الأرضي قريبين قدر الإمكان. وهذا يعطي سعة اقتران أكبر.
فيما يلي أمثلة على تجميعات من الألواح المكونة من طبقتين حتى الألواح المكونة من ثماني طبقات.
2. مخططات التكديس حسب عدد طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور
2.1 تكديس الألواح المكونة من طبقة واحدة وطبقتين
بالنسبة للوحات ذات الطبقتين، يكون عدد الطبقات منخفضًا. لا توجد مشكلات التكديس بنفس الطريقة التي توجد بها في الألواح متعددة الطبقات. يجب أن يأتي التحكم في إشعاع EMI من التوجيه والتخطيط.
طبقة واحدة واللوحات ذات الطبقة المزدوجة تعاني من مشاكل متزايدة في التوافق الكهرومغناطيسي EMC. والسبب الرئيسي هو أن مناطق حلقات الإشارة يمكن أن تصبح كبيرة. لا تؤدي مساحات الحلقات الكبيرة إلى إشعاع قوي فحسب، بل تجعل الدائرة حساسة للضوضاء الخارجية. ولتحسين التوافق الكهرومغناطيسي EMC، فإن أبسط خطوة هي تقليل مساحة حلقة الإشارات الرئيسية.
الإشارات الرئيسية: من وجهة نظر EMC، الإشارات الرئيسية هي تلك التي تصدر إشعاعات قوية وتلك الحساسة للضوضاء الخارجية. الإشارات التي تصدر إشعاعات قوية هي عادةً الإشارات الدورية. وتشمل هذه الساعات وإشارات العناوين منخفضة الترتيب. أما الإشارات الحساسة للضوضاء فهي عادةً الإشارات التناظرية منخفضة المستوى.
عادةً ما تستخدم الألواح أحادية الطبقة ومزدوجة الطبقة في التصميمات التناظرية منخفضة التردد التي تقل عن 10 كيلو هرتز. استخدم هذه القواعد الأساسية:
- قم بتوجيه الطاقة على نفس الطبقة بطريقة شعاعية عندما تستطيع. حاول إبقاء الطول الإجمالي للآثار صغيراً.
- اجعل مسارات الطاقة والأرضي قريبة من بعضها البعض. ضع أثر أرضي بجوار إشارة رئيسية. ضع هذا الأثر الأرضي بالقرب من الإشارة قدر الإمكان. يؤدي ذلك إلى إنشاء منطقة حلقة صغيرة. تقلل مساحة الحلقة الصغيرة من إشعاع الوضع الشائع وتقلل من مدى حساسية الإشارة للضوضاء الخارجية. عندما تضع أثرًا أرضيًا بجانب الإشارة، ستجذب الحلقة الصغيرة تيار عودة الإشارة. ثم يمر تيار الإشارة عبر هذه الحلقة الصغيرة وليس عبر مسارات أرضية أخرى.
- بالنسبة للوحة مزدوجة الوجه، ضع أثر أرضي عريض على الجانب الآخر من اللوحة أسفل أثر الإشارة مباشرةً. اجعل هذا التتبع الأرضي عريضًا قدر الإمكان. هذا يجعل مساحة الحلقة تساوي سمك اللوحة مضروبًا في طول الإشارة.
2.2 مكدسات الألواح رباعية الطبقات
تشمل التراكيب الشائعة ذات الأربع طبقات ما يلي:
- SIG - GND (أو PWR) - PWR (أو GND) - SIG
- GND - SIG (أو PWR) - SIG (أو PWR) - GND
بالنسبة لكل من هاتين الطبقتين، هناك مشكلة محتملة مع سمك اللوح القياسي البالغ 1.6 مم (62 مل). تصبح المسافات بين الطبقات كبيرة. التباعد الكبير يجعل من الصعب التحكم في المعاوقة واقتران الطبقات والوقاية. على وجه الخصوص، إذا كان التباعد بين مستويات الطاقة والمستويات الأرضية كبيرًا، تنخفض سعة اللوحة. السعة المنخفضة للوحة ليست جيدة لتصفية الضوضاء.
بالنسبة للتجميع الأول (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
غالبًا ما يستخدمه الناس عندما يكون هناك العديد من الرقائق على اللوحة. يعطي هذا التكديس سلامة إشارة جيدة. أداء EMI ليس جيداً. يجب التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي عن طريق التوجيه الدقيق والتفاصيل الأخرى.
النقاط الرئيسية:
- ضع المستوى الأرضي بجوار طبقة الإشارة ذات التوجيه الأكثر كثافة. يساعد ذلك على امتصاص وتقليل الإشعاع.
- قم أيضًا بزيادة مساحة اللوح. اتبع قاعدة 20H.
بالنسبة للمجموعة الثانية (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
ويستخدمه الناس عندما تكون كثافة الرقاقة منخفضة وعندما تكون مساحة الرقاقة بها مساحة لصب نحاس الطاقة. في هذا التصميم، تكون الطبقات الخارجية عبارة عن مستويات أرضية والطبقتان الداخليتان عبارة عن إشارة أو طاقة. يتم توجيه الطاقة على طبقة الإشارة بآثار عريضة. تجعل الآثار العريضة مقاومة مسار الطاقة منخفضة ومقاومة إشارة الشريط الدقيق منخفضة. يمكن للطبقات الأرضية الخارجية حماية الإشارات الداخلية من الإشعاع. من وجهة نظر التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي، هذا هو أفضل هيكل ثنائي الفينيل متعدد الكلور رباعي الطبقات المتاح الآن.
النقاط الرئيسية:
- اجعل المسافة بين طبقتَي الإشارة المختلطة الداخلية وطبقة الطاقة أكبر.
- اجعل اتجاهات التوجيه متعامدة بين تلك الطبقات لتجنب التداخل.
- منطقة لوحة التحكم واتباع قاعدة 20H.
- إذا كان يجب عليك التحكم في معاوقة التوجيه، فضع الآثار بعناية تحت الجزر النحاسية للطاقة والأرضية.
- حاول أيضًا توصيل الصبّات النحاسية على طبقات الطاقة أو الطبقات الأرضية قدر الإمكان. وهذا يعطي توصيل جيد للتيار المستمر والتردد المنخفض.
2.3 تكديس الألواح سداسية الطبقات
بالنسبة للتصميمات ذات الكثافة العالية للرقاقة وسرعة الساعة العالية، ضع في اعتبارك الألواح ذات الست طبقات. هناك لوحتان موصى بهما من ست طبقات على النحو التالي:
الخيار 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
مع هذا المخطط، تحصل على تكامل إشارة جيد. توضع كل طبقة إشارة بجوار مستوى أرضي. يتم إقران مستويات الطاقة والمستويات الأرضية. يمكنك التحكم في معاوقة كل طبقة توجيه بشكل جيد. يمكن لكلا المستويين الأرضيين امتصاص التدفق المغناطيسي جيداً. مع وجود مستويات طاقة ومستويات أرضية كاملة، يكون لكل طبقة إشارة مسار عودة جيد.
الخيار 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
يناسب هذا الخيار اللوحات التي لا تكون فيها كثافة الجهاز عالية جدًا. ويحافظ على مزايا الخيار الأول. كما أن المستويين الأرضيين العلوي والسفلي أكثر استمرارية. فهي تعمل كدروع جيدة.
ملاحظة: ضع مستوى الطاقة بالقرب من الجانب الذي ليس وجه المكوّن الرئيسي. عندها سيكون المستوى السفلي أكثر اكتمالاً، وسيكون أداء EMI أفضل من الخيار الأول.
ملخص للألواح سداسية الطبقات:
حافظ على المسافة بين مستويات الطاقة والمستويات الأرضية صغيرة قدر الإمكان. وهذا يعطي اقتراناً جيداً بين الطاقة والأرض. في لوحة بسماكة 62 مل، تكون المسافة بين الطبقات أصغر من خيارات الطبقات الأربع. ومع ذلك، ليس من السهل جعل المسافة بين الطاقة الرئيسية والتباعد الأرضي صغيرة جدًا. بالمقارنة مع الخيار الثاني، فإن الخيار الأول أقل تكلفة. لذلك غالبًا ما نختار الشكل الأول للتكديس العملي. اتبع قاعدة 20H وقاعدة طبقة المرآة في التصميم.
2.4 مكدسات الألواح الثمانية الطبقات
تحتوي الألواح المكونة من ثماني طبقات على العديد من التكدسات الممكنة. بعضها أسوأ بالنسبة لـ EMI بسبب ضعف الامتصاص ومقاومة الطاقة الكبيرة. فيما يلي ثلاثة أشكال موصوفة:
النوع أ (غير جيد)
هذا الشكل له امتصاص كهرومغناطيسي أقل ومقاومة طاقة أكبر. ترتيب طبقاته هو:
- الإشارة 1: جانب المكوِّن، طبقة توجيه الشريط الدقيق
- الإشارة 2: طبقة توجيه الشريط الدقيق الداخلية، طبقة توجيه جيدة (الاتجاه X)
- أرضي
- الإشارة 3: طبقة توجيه شريطية، طبقة توجيه جيدة (الاتجاه Y)
- الإشارة 4: طبقة التوجيه الشريطي
- الطاقة
- الإشارة 5: طبقة توجيه الشريط الدقيق الداخلية
- الإشارة 6: طبقة توجيه الشريط الدقيق
هذا النموذج ليس خيارًا جيدًا لأنه لا يوفر مراجع متسقة لجميع طبقات الإشارة. مقاومة الطاقة عالية والتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي EMI ضعيف.
النوع ب (متغير مع طبقات مرجعية مضافة)
هذا متغير من نوع ثالث. بإضافة الطبقات المرجعية يحصل على أداء أفضل في التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي. يمكن التحكم في المعاوقة المميزة لكل طبقة إشارة بشكل جيد. أحد الترتيبات الممكنة هو
- الإشارة 1: جانب المكون، وطبقة توجيه الشريط الدقيق، وطبقة التوجيه الجيد
- الأرض: امتصاص جيد للموجات
- الإشارة 2: طبقة التوجيه الشريطية، طبقة التوجيه الجيدة
- الطاقة: يشكل مستوى الطاقة هذا والأرض الواقعة تحته امتصاصًا كهرومغناطيسيًا جيدًا
- الأرضي: مستوى أرضي
- الإشارة 3: طبقة التوجيه الشريطية، طبقة التوجيه الجيدة
- الطاقة: يتمتع مستوى الطاقة هذا بمقاومة طاقة أكبر
- الإشارة 4: طبقة توجيه ميكروستريب، طبقة توجيه جيدة
النوع ج (أفضل الممارسات)
هذا هو أفضل شكل مكدس. فهو يستخدم مستويات مرجعية أرضية متعددة. وهذا يعطي امتصاصاً كهرومغناطيسياً جيداً جداً. الترتيب الشائع هو
- الإشارة 1: جانب المكون، وطبقة توجيه الشريط الدقيق، وطبقة التوجيه الجيد
- الأرض: امتصاص جيد للموجات
- الإشارة 2: طبقة التوجيه الشريطية، طبقة التوجيه الجيدة
- الطاقة: يشكل مستوى الطاقة هذا والأرض تحته امتصاصًا كهرومغناطيسيًا ممتازًا
- الأرضي: مستوى أرضي
- الإشارة 3: طبقة التوجيه الشريطية، طبقة التوجيه الجيدة
- الأرضي: مستوى أرضي ثان، امتصاص جيد للموجات
- الإشارة 4: طبقة توجيه ميكروستريب، طبقة توجيه جيدة
3. كيفية اختيار عدد الطبقات والتكديس
اختر عدد الطبقات وشكل التكديس بناءً على العديد من العوامل. وتشمل هذه العوامل: عدد شبكات الإشارة على اللوحة، وكثافة المكونات، وكثافة المسامير، وترددات الإشارة، وحجم اللوحة. فكر في كل هذه العوامل معًا.
ملاحظات التصميم:
- إذا كان هناك العديد من شبكات الإشارة، صمم مع المزيد من الطبقات.
- إذا كانت كثافة المكونات عالية، اختر المزيد من الطبقات.
- إذا كانت كثافة الدبوس عالية، اختر المزيد من الطبقات.
- إذا كان تردد الإشارة مرتفعاً، اختر المزيد من الطبقات.
- للحصول على أداء جيد في التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي، حاول التأكد من أن كل طبقة إشارة لها طبقة مرجعية خاصة بها. يمكن أن تكون الطبقة المرجعية أرضية أو طاقة. يساعد ذلك في التحكم في المعاوقة ويوفر مسارات عودة ضيقة. مسارات العودة الضيقة تقلل من مساحة الحلقة. تقلل مساحة الحلقة المنخفضة من الإشعاع والحساسية للتداخل.
4. قواعد بسيطة يجب اتباعها في جميع التصاميم
- امنح كل طبقة توجيه مستوى مرجعي قريب. يساعد ذلك في التحكم في المعاوقة والتيار المرتجع.
- قم بإقران مستويات الطاقة والمستويات الأرضية عندما تستطيع. أبقِ المسافات صغيرة. هذا يزيد من السعة المستوية. تقلل السعة المستوية العالية من الضوضاء.
- ضع المستوى الأرضي بجوار طبقة الإشارة ذات التوجيه الكثيف. يساعد ذلك على امتصاص الإشعاع وإيقافه.
- استخدم التوجيه المتعامد على طبقات الإشارة المتجاورة لتقليل التداخل.
- استخدم مسارات عريضة لتوجيه الطاقة على الطبقات المختلطة للحفاظ على مقاومة مسار الطاقة منخفضة.
- تصب الوصلات النحاسية البينية على مستويات الطاقة والمستويات الأرضية للحصول على توصيلات قوية للتيار المستمر والتردد المنخفض.
- اتبع قاعدة 20H عند تعيين مساحة اللوحة وضع قواعد تصميم الطبقات المتطابقة في الاعتبار.
- في التصاميم عالية السرعة أو عالية الكثافة، تفضل اللوحات المكونة من ست طبقات أو ثماني طبقات بحيث يمكن أن يكون لكل طبقة إشارة مرجع قريب.
- بالنسبة للتصاميم التناظرية منخفضة التردد، يمكن أن تعمل اللوحات المكونة من طبقة واحدة أو طبقتين إذا حافظت على مناطق الحلقات صغيرة ووضعت الأرض بالقرب من الإشارات.
- عندما تستطيع، اجعل مستويات الطاقة الداخلية والمستويات الأرضية قريبة من بعضها البعض. فهذا يحسن من عملية الفصل ويقلل من التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي.
5. الملاحظة الختامية
اختيار المكدس هو مقايضة النظام. انظر إلى الشبكات والتخطيط وموضع المكونات وعدد الدبابيس والتردد في آن واحد. ولتحسين التداخل الكهرومغناطيسي والتحكم في الإشارة بشكل أفضل، امنح كل طبقة إشارة مرجعًا قريبًا واضحًا. استخدم مستويات مقترنة ومسافات ضيقة بين المستويات عندما يكون ذلك ممكنًا. استخدم مستويات أرضية متعددة للحصول على أفضل امتصاص كهرومغناطيسي في اللوحات متعددة الطبقات. عند التصميم، وازن بين التكلفة والأداء. اتبع القواعد البسيطة المذكورة أعلاه واختر التجميع الذي يناسب احتياجات لوحتك.
