1. Osnovni principi dizajna stackupa
U cjelini, dizajn stackupa mora slijediti dva pravila:
- Svaki sloj rutiranja mora imati obližnji referentni sloj. Referentni sloj može biti napojni ili zemljani sloj.
- Držite glavnu napojnu ravan i uzemljensku ravan što bliže. To omogućava veću kapacitivnost povezivanja.
Ispod su primjeri slojeva za štampane ploče od dvostrukih do osmoslojnih.
2. Sheme slojeva prema broju slojeva PCB-a
2.1 Jednoslojni i dvoslojni stakovi ploča
Za dvoslojne ploče broj slojeva je nizak. Problemi sa slojevima ne postoje na isti način kao kod višeslojnih ploča. Kontrola EMI zračenja mora dolaziti iz rutiranja i rasporeda.
Jednoslojni i dvostruke ploče imaju sve veće EMC probleme. Glavni uzrok je što površine signalnih petlji mogu postati velike. Velike površine petlji ne samo da stvaraju snažno zračenje, već čine i da je sklop osjetljiv na vanjsku buku. Da bi se poboljšao EMC, najjednostavniji korak je smanjiti površinu petlje ključnih signala.
Ključni signali: Iz ugla EMC-a, ključni signali su oni koji stvaraju snažno zračenje i oni koji su osjetljivi na vanjsku buku. Signali koji stvaraju snažno zračenje obično su periodični signali. To uključuje taktne signale i adresne signale niskog reda. Signali koji su osjetljivi na buku obično su analogni signali niskog nivoa.
Jednoslojne i dvoslojne ploče obično se koriste u niskofrekventnim analognim projektima ispod 10 kHz. Koristite ova osnovna pravila:
- Povežite napajanje na istom sloju radijalno kad god je to moguće. Pokušajte održati ukupnu dužinu tragova kratkom.
- Držite vodove za napajanje i masu blizu jedni drugih. Postavite vod za masu pored ključnog signala. Postavite taj vod za masu što bliže signalu koliko god možete. To stvara malu petlju. Mala petlja smanjuje zajednički mod zračenja i smanjuje osjetljivost signala na vanjsku buku. Kada postavite vod za masu pored signala, mala petlja će privući povratnu struju signala. Struja signala tada prolazi kroz tu malu petlju, a ne kroz druge puteve za masu.
- Za dvostranu ploču postavite široki uzemljeni trag na drugoj strani ploče, tačno ispod signalnog traga. Učinite ovaj uzemljeni trag što širim. Time se stvara petlja čija površina odgovara debljini ploče pomnoženoj s dužinom signala.
2.2 Četveroslojni raspored pločica
Uobičajeni četveroslojni slojevi uključuju:
- SIG – GND (ili PWR) – PWR (ili GND) – SIG
- GND – SIG (ili PWR) – SIG (ili PWR) – GND
Za oba ova stackupa postoji potencijalni problem sa standardnom debljinom ploče od 1,6 mm (62 mil). Razmak između slojeva postaje velik. Veliki razmak otežava kontrolu impedanse, povezivanje slojeva i oklopljenje. Posebno, ako je razmak između napojnih i masenih ravni velik, kapacitivnost ploče opada. Niska kapacitivnost ploče nije dobra za filtriranje šuma.
Za prvi stackup (SIG – GND/PWR – PWR/GND – SIG)
Ljudi ga često koriste kada na ploči ima mnogo čipova. Ovaj sloj osigurava dobru integritet signala. Performanse EMI-ja nisu tako dobre. Morate kontrolirati EMI pažljivim rasporedom tragova i drugim detaljima.
Ključne tačke:
- Postavite ground plane pored signalnog sloja s najgušćim rutiranjem. To pomaže apsorbirati i smanjiti zračenje.
- Također povećajte površinu ploče. Slijedite pravilo 20H.
Za drugi sloj (GND – SIG/PWR – SIG/PWR – GND)
Ljudi ga koriste kada je gustoća čipova niska i kada na površini čipa ima prostora za izlijevanje bakra za napajanje. U ovom dizajnu, vanjski slojevi su uzemljenja, a dva unutrašnja sloja su za signal ili napajanje. Provucite napajanje na signalnom sloju širokim tragovima. Široki tragovi čine da je impedansa puta napajanja niska i da je impedansa mikristrip signala niska. Vanjski slojevi uzemljenja mogu štititi unutrašnje signale od zračenja. Sa aspekta kontrole EMI, ovo je trenutno najbolja dostupna četveroslojna PCB struktura.
Ključne tačke:
- Održavajte veće razmak između dva unutrašnja sloja miješanih signala i napajanja.
- Usmjerite rute na tim slojevima tako da budu okomite kako biste izbjegli preslušavanje.
- Područje kontrolne ploče i slijedite pravilo 20H.
- Ako morate kontrolirati impedanciju rute, pažljivo postavite tragove ispod bakrenih otoka za napajanje i masu.
- Također, pokušajte što više međusobno povezati bakarne izlijevke na slojevima napajanja i uzemljenja. To osigurava dobru DC i niskofrekvencijsku povezanost.
2.3 Šestoslojne kombinacije pločica
Za dizajne s visokom gustoćom čipova i visokom taktom razmotrite šesteroslojne ploče. Dva preporučena šesteroslojna slojenskog sklopa su sljedeća:
Opcija 1: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG
Sa ovom shemom dobijate dobar integritet signala. Svaki signalni sloj se nalazi pored zemljane ploče. Ploče napajanja i zemlje su uparene. Možete dobro kontrolisati impedanciju svakog sloja za ruteranje. Obje zemljane ploče dobro apsorbuju magnetni tok. Sa potpunim pločama napajanja i zemlje, svaki signalni sloj ima dobar povratni put.
Opcija 2: GND – SIG – GND – PWR – SIG – GND
Ova opcija odgovara pločama na kojima gustoća komponenti nije vrlo visoka. Zadržava prednosti prve opcije. Također, gornja i donja uzemljena ravan su kontinuitetniji. One djeluju kao dobri štitovi.
Napomena: Postavite napojnu ravan blizu strane koja nije lice glavne komponente. Donja ravan će tada biti potpunija, a EMI performanse će biti bolje nego kod prve opcije.
Sažetak za šesteroslojne ploče:
Držite razmak između napojne i uzemljene ravnine što je moguće manjim. To osigurava dobro povezivanje napajanja i uzemljenja. Na ploči debljine 62 mil, razmak slojeva je manji nego kod četveroslojevitih opcija. Ipak, nije lako znatno smanjiti razmak glavnih napojne i uzemljene ravnine. U poređenju sa drugom opcijom, prva opcija je jeftinija. Zato često biramo prvi oblik za praktični stackup. U dizajnu slijedite pravilo 20H i pravilo ogledalnog sloja.
2.4 Osmoslojni raspored pločica
Osmoslojne ploče imaju mnogo mogućih slojeva. Neki su lošiji za EMI zbog slabog prigušivanja i velike impedanse napajanja. Ovdje su opisana tri oblika:
Tip A (nije dobro)
Ovaj oblik ima manju elektromagnetnu apsorpciju i veću impedanciju snage. Redoslijed slojeva je:
- Signal 1: komponentska strana, sloj mikrotiraka za rute
- Signal 2: unutrašnji sloj mikropojasa za rute, dobar sloj za rute (smjer X)
- Zemlja
- Signal 3: sloj za striplin rute, dobar sloj za rute (u smjeru Y)
- Signal 4: sloj stripline trase
- Moć
- Signal 5: unutrašnji sloj mikrotirake za rute
- Signal 6: sloj mikrostrip usmjeravanja
Ovaj oblik nije dobar izbor jer ne pruža dosljedne reference za sve slojeve signala. Impedansa napajanja je visoka, a kontrola EMI-ja je slaba.
Tip B (varijanta sa dodanim referentnim slojevima)
Ovo je varijanta trećeg tipa. Dodavanjem referentnih slojeva postiže se bolja otpornost na elektromagnetsko zračenje. Karakteristični impedansni sloj svakog signalnog sloja može se dobro kontrolisati. Jedan mogući redoslijed je:
- Signal 1: komponentska strana, mikrotalasni sloj za rute, dobar sloj za rute
- Tlo: dobro prigušivanje valova
- Signal 2: sloj za striplinovo ruteranje, dobar sloj za ruteranje
- Snaga: ova ravan snage i tlo ispod nje formiraju dobro elektromagnetsko apsorpcijsko polje.
- Tlo: ravan tla
- Signal 3: sloj za striplinijsko ruteranje, dobar sloj za ruteranje
- Snaga: ovaj ravni vod snage ima veću impedanciju.
- Signal 4: mikropojasni sloj za rute, dobar sloj za rute
Tip C (najbolja praksa)
Ovo je najbolji oblik stackupa. Koristi više referentnih ravni tla. To omogućava vrlo dobru elektromagnetsku apsorpciju. Uobičajeni redoslijed je:
- Signal 1: komponentska strana, mikrotalasni sloj za rute, dobar sloj za rute
- Tlo: dobro prigušivanje valova
- Signal 2: sloj za striplinovo ruteranje, dobar sloj za ruteranje
- Snaga: ovaj ravni talas i tlo ispod njega čine izvrsno elektromagnetsko apsorpcijsko polje.
- Tlo: ravan tla
- Signal 3: sloj za striplinijsko ruteranje, dobar sloj za ruteranje
- Tlo: druga ravan tla, dobro apsorpcija valova
- Signal 4: mikropojasni sloj za rute, dobar sloj za rute
3. Kako odabrati broj slojeva i raspored slojeva
Odaberite broj slojova i strukturu slojeva na osnovu mnogih faktora. To uključuje: broj signalnih traka na ploči, gustoću komponenti, gustoću pinova, frekvencije signala i veličinu ploče. Uzmite sve to u obzir zajedno.
Bilješke o dizajnu:
- Ako postoji mnogo signalnih mreža, dizajnirajte s više slojeva.
- Ako je gustoća komponenti visoka, odaberite više slojeva.
- Ako je gustoća pinova visoka, odaberite više slojeva.
- Ako je frekvencija signala visoka, odaberite više slojeva.
- Da biste postigli dobru EMI izvedbu, pokušajte osigurati da svaki signalni sloj ima vlastiti referentni sloj. Referentni sloj može biti masa ili napajanje. To pomaže u kontroli impedanse i osigurava uske povratne puteve. Uske povratne putanje smanjuju površinu petlje. Manja površina petlje smanjuje zračenje i osjetljivost na smetnje.
4. Jednostavna pravila koja treba slijediti u svim dizajnima
- Dajte svakom sloju ruteriranja obližnju referentnu ravan. Ovo pomaže u kontroli impedanse i povratne struje.
- Kada god možete, spojite napojne i masne ravnine. Održavajte male razmake. To povećava kapacitivnost ravnina. Visoka kapacitivnost ravnina smanjuje šum.
- Postavite ground plane pored signalnog sloja s gustim rutiranjem. To pomaže apsorbirati i zaustaviti zračenje.
- Koristite ortogonalno rutiranje na susjednim signalnim slojevima kako biste smanjili preslušavanje.
- Koristite široke tragove za napajanje na miješanim slojevima kako biste održali nisku impedanciju puta napajanja.
- Lijevanje bakra za međupovezivanja na napojnim i masenim ravninama osigurava snažne DC i niskofrekvencijske veze.
- Pridržavajte se pravila 20H pri određivanju površine ploče i imajte na umu pravila dizajna oglednog sloja.
- U dizajnima visokih brzina ili visoke gustoće, preferirajte šesteroslojne ili osmeroslojne ploče kako bi svaki signalni sloj imao blisku referencu.
- Za analoge niskih frekvencija, jednostruke ili dvostruke ploče mogu raditi ako držite površine petlji male i postavite masu blizu signala.
- Kad god možete, približite unutrašnju napajnu i uzemljujuće ravni. To poboljšava odvajanje i smanjuje EMI.
5. Završna napomena
Izbor stackupa je kompromis. Pogledajte mreže, raspored, pozicioniranje komponenti, broj pinova i frekvenciju odjednom. Za bolju kontrolu EMI-ja i signala, svakom signalnom sloju osigurajte jasnu i blisku referencu. Koristite uparene ravni i usko razmaknute ravni kad god je to moguće. Koristite više zemaljskih ravni za najbolju apsorpciju elektromagnetskog zračenja u višeslojnim pločama. Prilikom dizajniranja uravnotežite troškove i performanse. Slijedite gore navedena jednostavna pravila i odaberite stackup koji odgovara potrebama vaše ploče.
