Úvod
Informační věk je tady a používání desek plošných spojů stále roste. Návrhy desek plošných spojů jsou stále složitější. S tím, jak jsou elektronické součástky na deskách plošných spojů umístěny blíže k sobě, se stává běžným problémem elektrické rušení. U vícevrstvých desek musí být odděleny signálové a napájecí nebo zemnicí vrstvy. Proto je velmi důležitý návrh stack-up a pořadí vrstev. Dobrý stack-up může výrazně snížit EMI a přeslechy.
Proč používat vícevrstvé desky
Ve srovnání s jednovrstvými deskami přidávají vícevrstvé desky signálové vrstvy, směrovací vrstvy a oddělené napájecí a zemnicí roviny. Hlavní výhodou je, že poskytují stabilní napětí pro digitální signály. Rovnoměrně rozdělují napájení do všech částí. To pomáhá snižovat šum mezi signály.
Výkonová a zemní rovina
Použití velkých měděných náplní pro napájení a pevné zemnicí roviny snižuje odpor těchto rovin. Nižší odpor udržuje stabilní napětí na výkonové rovině. To pomáhá každému signálovému vedení udržet jeho charakteristickou impedanci. Stabilní impedance pomáhá snižovat odrazy a snižovat přeslechy. Při návrhu špičkových desek plošných spojů konstruktéři často volí skládání s více než šesti vrstvami. Vícevrstvé desky překonávají jednovrstvé nebo nízkovrstvé desky z hlediska elektrického výkonu a snížení elektromagnetického vyzařování. S větším počtem vrstev se zvyšují náklady. Cena DPS závisí na počtu vrstev a hustotě vedení na jednotku plochy. Pokud zkrátíte vrstvy, abyste ušetřili, ztratíte prostor pro směrování. To zvyšuje hustotu směrování. Možná budete potřebovat užší stopy a menší mezery, abyste vyhověli návrhu. Tyto změny mohou zvýšit náklady nebo ztížit výrobu desky. Zkrácení vrstev může snížit náklady, ale může poškodit elektrický výkon. Tato volba se může vymstít.
Mikropásky, zpětná cesta a zemnící rovina jako součást přenosového vedení
Pokud se podíváte na mikropáskové uspořádání desky plošných spojů jako na model, může být zemnící rovina součástí přenosového vedení. Zemní měděný přeliv pod signálovou stopou funguje jako zpětná cesta pro signál. Výkonová rovina je v pohledu na střídavý proud svázána se zemí prostřednictvím oddělovacích kondenzátorů. Tyto dvě roviny se chovají stejným způsobem pro návrat signálu. Rozdíl mezi nízkofrekvenčními a vysokofrekvenčními proudovými smyčkami spočívá v tom, jak si zpětný proud najde svou cestu. Při nízké frekvenci se proud vrací cestou s nejmenším odporem. Při vysoké frekvenci se proud vrací cestou s nejmenší indukčností. Zpětný proud má tendenci se soustředit přímo pod stopou signálu.
Vysokofrekvenční zpětný proud a vlastní stínění
Pokud při vysoké frekvenci leží stopa přímo nad zemní rovinou, vrátí se proud i při mnoha zpětných cestách pod signální stopu na nejbližší směrovací vrstvě, která vede zpět ke zdroji. Tato cesta má nejnižší impedanci. Použití velkých oddělovacích kondenzátorů k propojení napájení se zemí potlačuje elektrické pole kapacitou. Zpětná cesta s nízkou indukčností potlačuje magnetická pole. Tato dvojice efektů udržuje nízkou čistou reaktanci. Tomu říkáme samostínění.
Plocha smyčky, vzdálenost a proudová hustota
Z rovnic pro zpětný proud vyplývá, že hustota zpětného proudu je nepřímo úměrná vzdálenosti od signální stopy. Menší vzdálenost dává menší plochu smyčky a menší indukčnost. Vidíme také, že pokud jsou signální vedení a zpětná cesta blízko sebe, jsou proudy v nich podobně velké a mají opačný směr. Jejich magnetická pole se v blízkém prostoru vzájemně ruší. Díky tomu je vnější elektromagnetické rušení velmi malé. Při návrhu stack-up je nejlepší umístit zemnící rovinu v blízkosti každé signálové vrstvy.
Přeslechy způsobené vzájemnou indukčností
Při přeslechu v zemní rovině způsobují vysokofrekvenční obvody přeslech především indukční vazbou. Ze vzorce pro zpětný proud vyplývá, že dvě blízké signálové stopy tvoří překrývající se proudové smyčky. Tyto překrývající se smyčky způsobují rušení magnetického pole. Činitel vazby K ve vzorci závisí na době náběhu signálu a na délce rušivé stopy. Ve stack-upu přiblížení signálové vrstvy a zemní roviny snižuje rušení ze zemní roviny.
Měděné zálivky, štěpky a izolační stěny
Když konstruktéři zalévají měď pro napájení a uzemnění, musí si dát pozor, aby v oblasti zalití nevznikla izolační stěna. Tento problém často vzniká v důsledku příliš velkého počtu průchodek nebo špatného plánu izolace průchodek. Výsledkem může být pomalý náběh hran, větší plocha smyčky, vyšší indukčnost a větší přeslechy a EMI.
Hustota průchodů a plotů může rozdělit půdorys na ostrovy. Tyto ostrůvky nutí zpětný proud k delší cestě. To zvyšuje plochu smyčky a indukčnost. Abyste tomu předešli, navrhněte umístění průchodek a rozdělení roviny tak, aby zpětný proud mohl protékat plynule. Pokud je nutné rozdělit roviny pro různá napětí, umístěte průchodky pro sešití a udržujte oddělování v blízkosti zařízení.
Párování měděných nálevů pro vyvážení procesu
Při pokládání mědi do desky se snažte umístit nálevy ve dvojicích, aby byl proces vyvážený. Jedná se o problém při výrobě desek plošných spojů. Nevyvážená měď může desku deformovat. Pro každou signální vrstvu je nejlepší mít jako souseda odpovídající vrstvu měděného nálevu. Vzdálenost mezi silnoproudou napájecí rovinou a sousedním měděným nálevem ovlivňuje stabilitu a EMI. Při návrhu vysokorychlostních desek je běžné přidávat další zemnicí vrstvy, které oddělují signálové vrstvy. Tyto dodatečné zemnicí vrstvy fungují jako stínění a pomáhají udržovat nízké EMI.
Oddělení a zpětná cesta v blízkosti zdroje
Oddělovací kondenzátory udržujte v blízkosti napájecích vývodů zařízení. Oddělovací kondenzátory spojují napájecí a zemní roviny při vysokých frekvencích. Dobré oddělování zajišťuje krátkou zpětnou cestu v blízkosti zařízení. Tím se zmenší plocha smyčky a sníží indukčnost. Krátké smyčky snižují EMI a přeslechy.
Řízení impedance a vlastnosti stopy
Řízení impedance stopy znamená udržování stálé geometrie stopy a dielektrických vlastností. Stálá impedance udržuje signály čisté a snižuje odrazy. Pro kontrolu impedance umístěte stopu nad pevnou referenční rovinu a udržujte stálou vzdálenost a dielektrickou konstantu. Referenční zem přímo pod stopou poskytuje dobré chování mikropásků nebo pásků. To pomáhá jak jednosměrným, tak diferenciálním párům.
Diferenciální páry a šum ve společném módu
Diferenciální páry potřebují těsné rozestupy a pevnou referenční rovinu, aby byla diferenciální impedance stabilní. Diferenciální signalizace snižuje šum společného módu, pokud je pár dobře veden. Udržujte pár pohromadě, vyhněte se odbočkám a udržujte vratnou rovinu blízko sebe. Tím se sníží vyzařované EMI i přeslechy do okolních sítí.
Pravidla směrování a kompromisy v počtu vrstev
Když se sníží počet vrstev, zmenší se prostor pro směrování. To nutí konstruktéry zmenšovat šířku tras a mezery. Vyšší hustota směrování může zvýšit přeslechy a odchylky impedance. V mnoha návrzích je správnou volbou akceptovat vyšší počet vrstev, aby bylo směrování jednodušší a aby byl zachován elektrický výkon. Náklady na více vrstev jsou reálné, ale špatná integrita signálu může stát více času na ladění a selhání výrobku.
Vysokorychlostní desky a další zemní vrstvy
Vysokorychlostní desky využívají přidání zemnících vrstev k izolaci signálových vrstev. Tím se sníží vazba mezi signály v různých vrstvách. Další zemnící vrstvy fungují jako stínění. Poskytují blízkou nízkoindukční zpětnou cestu. Tím se snižuje elektromagnetické rušení a časování je předvídatelnější.
Praktické tipy pro skládání a směrování
- V blízkosti každé vysokorychlostní signální vrstvy umístěte pevnou zemnící rovinu.
- Používejte výkonové roviny se širokými měděnými náplněmi a udržujte je s nízkým odporem.
- V blízkosti napájecích vývodů umístěte oddělovací čepičky a spojte napájení se zemí krátkými cestami.
- Vyhněte se rozštěpení roviny pod vysokorychlostními stopami. Pokud musíte rovinu rozdělit, přidejte v blízkosti stopy prošívací průchodky.
- Sledujte hustotu, aby nedošlo k odpojení v letadle.
- Udržujte stopy krátké a vyhněte se odbočkám.
- Pro signály, které vyžadují odolnost proti šumu, používejte diferenciální páry.
- Zvolte takové uspořádání, aby byla zpáteční cesta krátká a plocha smyčky malá.
- Vyvažte měď na vnějších vrstvách, abyste snížili deformace.
Souhrn
S rostoucí hustotou elektroniky se EMI a přeslechy stávají stále větším problémem. Vícevrstvé desky plošných spojů poskytují nástroje pro boj s těmito problémy. Pomáhají napájecí a zemnicí roviny, spárované měděné vrstvy, těsné stohování a dobré oddělování. Pečlivý plán vrstev a praxe směrování snižují plochu smyčky a indukčnost. To snižuje EMI a přeslechy. Nakonec dobré uspořádání a volba směrování šetří čas a peníze tím, že snižuje riziko ladění a poruch.
