1. Základní principy návrhu zásobníků
Celkově musí návrh stohování dodržovat dvě pravidla:
- Každá směrovací vrstva musí mít blízkou referenční vrstvu. Referenční vrstvou může být výkonová nebo zemní rovina.
- Hlavní výkonovou rovinu a zemnící rovinu udržujte co nejblíže. Tím získáte větší vazební kapacitu.
Níže jsou uvedeny příklady stohování od dvouvrstvých až po osmivrstvé desky.
2. Schémata ukládání podle počtu vrstev PCB
2.1 Jednovrstvé a dvouvrstvé skládání desek
U dvouvrstvých desek je počet vrstev nízký. Problémy se stohováním se nevyskytují tak jako u vícevrstvých desek. Kontrola vyzařování EMI musí vycházet ze směrování a rozvržení.
Jednovrstvé a dvouvrstvé desky mají stále větší problémy s EMC. Hlavní příčinou jsou velké plochy signálových smyček. Velké oblasti smyček nejenže způsobují silné vyzařování, ale také činí obvod citlivým na vnější šum. Nejjednodušším krokem ke zlepšení EMC je zmenšení oblasti smyček klíčových signálů.
Klíčové signály: Klíčové signály z hlediska EMC jsou ty, které silně vyzařují, a ty, které jsou citlivé na vnější šum. Signály, které silně vyzařují, jsou obvykle periodické signály. Patří mezi ně hodiny a adresní signály nízkého řádu. Signály, které jsou citlivé na šum, jsou obvykle analogové signály nízké úrovně.
Jednovrstvé a dvouvrstvé desky se obvykle používají v nízkofrekvenčních analogových konstrukcích pod 10 kHz. Použijte tato základní pravidla:
- Pokud je to možné, směrujte napájení ve stejné vrstvě radiálním způsobem. Snažte se, aby celková délka tras byla co nejmenší.
- Napájecí a zemnicí stopy udržujte blízko sebe. Zemní stopu umístěte vedle klíčového signálu. Zemnící stopu umístěte co nejblíže k signálu. Vytvoříte tak malou smyčku. Malá plocha smyčky snižuje vyzařování ve společném módu a snižuje citlivost signálu na vnější šum. Když vedle signálu umístíte zemnicí stopu, malá smyčka bude přitahovat zpětný proud signálu. Signálový proud pak prochází touto malou smyčkou a ne jinými zemními cestami.
- V případě oboustranné desky umístěte širokou zemnicí stopu na druhou stranu desky přímo pod signální stopu. Tuto zemnicí stopu udělejte co nejširší. Vznikne tak plocha smyčky, která se rovná tloušťce desky vynásobené délkou signálu.
2.2 Čtyřvrstvé deskové stackupy
Mezi běžné čtyřvrstvé sestavy patří:
- SIG - GND (nebo PWR) - PWR (nebo GND) - SIG
- GND - SIG (nebo PWR) - SIG (nebo PWR) - GND
U obou těchto stohů je potenciální problém se standardní tloušťkou desky 1,6 mm (62 mil). Rozteč mezi vrstvami se zvětšuje. Velké rozestupy ztěžují kontrolu impedance, propojení vrstev a stínění. Zejména pokud je vzdálenost mezi výkonovou a zemnicí rovinou velká, klesá kapacita desky. Nízká kapacita desky není dobrá pro filtrování šumu.
Pro první uspořádání (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
Lidé ji často používají, když je na desce mnoho žetonů. Toto uspořádání poskytuje dobrou integritu signálu. Výkon EMI není tak dobrý. EMI musíte kontrolovat pečlivým směrováním a dalšími detaily.
Klíčové body:
- Zemnící rovinu umístěte vedle signálové vrstvy, která má nejhustší směrování. To pomáhá pohlcovat a snižovat vyzařování.
- Zvětšete také plochu desky. Dodržujte pravidlo 20H.
Pro druhé uspořádání (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
Lidé ji používají, když je hustota čipů nízká a když je na ploše čipu místo pro výkonné měděné lišty. V tomto provedení jsou vnější vrstvy zemnícími rovinami a dvě vnitřní vrstvy jsou signálové nebo výkonové. Napájení veďte na signálové vrstvě se širokými stopami. Díky širokým stopám je impedance výkonové cesty nízká a impedance mikropáskového signálu nízká. Vnější zemní vrstvy mohou stínit vnitřní signály před vyzařováním. Z hlediska kontroly EMI se jedná o nejlepší čtyřvrstvou strukturu DPS, která je nyní k dispozici.
Klíčové body:
- Udržujte větší rozestupy mezi dvěma vnitřními vrstvami smíšeného signálu a výkonovými vrstvami.
- Směry směrování mezi těmito vrstvami musí být ortogonální, aby nedocházelo k přeslechům.
- Kontrolujte oblast desky a dodržujte pravidlo 20H.
- Pokud musíte kontrolovat impedanci vedení, umístěte stopy pečlivě pod měděné ostrůvky napájení a uzemnění.
- Snažte se také co nejvíce propojit měděné náplně na silové nebo zemnící vrstvě. Tím získáte dobrou stejnosměrnou a nízkofrekvenční konektivitu.
2.3 Šestivrstvé deskové stackupy
U návrhů s vysokou hustotou čipů a vysokou taktovací frekvencí zvažte šestivrstvé desky. Dvě doporučené šestivrstvé sestavy jsou následující:
Možnost 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
Díky tomuto schématu získáte dobrou integritu signálu. Každá signální vrstva se nachází vedle zemní roviny. Napájecí a zemní roviny jsou spárovány. Impedanci každé směrovací vrstvy můžete dobře kontrolovat. Obě zemní roviny mohou dobře absorbovat magnetický tok. Díky plným výkonovým a zemním rovinám má každá signální vrstva dobrou zpětnou cestu.
Možnost 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
Tato možnost se hodí pro desky, kde hustota zařízení není příliš vysoká. Zachovává výhody první možnosti. Také horní a spodní zemní rovina jsou souvislejší. Fungují jako dobré stínění.
Poznámka: Výkonovou rovinu umístěte ke straně, která není hlavní stranou součásti. Spodní rovina pak bude kompletnější a výkon EMI bude lepší než u první možnosti.
Shrnutí pro šestivrstvé desky:
Vzdálenost mezi napájecí a zemní rovinou musí být co nejmenší. Tím se dosáhne dobrého propojení mezi výkonem a zemí. Na desce o tloušťce 62 mil je vzdálenost vrstev menší než u čtyřvrstvých variant. Přesto není snadné zajistit, aby vzdálenost mezi hlavními napájecími a zemnicími rovinami byla velmi malá. Ve srovnání s druhou možností stojí první možnost méně. Proto pro praktické stohování často volíme první formu. Při návrhu dodržujte pravidlo 20H a pravidlo zrcadlové vrstvy.
2.4 Osmivrstvé desky
Osmivrstvé desky mají mnoho možných uspořádání. Některé jsou horší z hlediska EMI kvůli špatné absorpci a velké výkonové impedanci. Zde jsou popsány tři formy:
Typ A (není dobrý)
Tato forma má nižší elektromagnetickou absorpci a větší výkonovou impedanci. Její pořadí vrstev je:
- Signál 1: strana součástky, mikropásková směrovací vrstva
- Signál 2: vnitřní mikropásková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva (směr X)
- Pozemek
- Signál 3: proužková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva (směr Y)
- Signál 4: směrovací vrstva proužkového vedení
- Power
- Signál 5: vnitřní mikropásková směrovací vrstva
- Signál 6: mikropásková směrovací vrstva
Tento formulář není dobrou volbou, protože neposkytuje konzistentní odkazy pro všechny signální vrstvy. Výkonová impedance je vysoká a kontrola EMI je slabá.
Typ B (varianta s přidanými referenčními vrstvami)
Jedná se o variantu třetího typu. Přidáním referenčních vrstev se dosáhne lepšího výkonu EMI. Charakteristickou impedanci každé signální vrstvy lze dobře řídit. Jedno z možných pořadí je následující:
- Signál 1: strana součástky, mikropásková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
- Zem: dobrá absorpce vln
- Signál 2: proužková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
- Napájení: tato rovina napájení a půda pod ní tvoří dobrou elektromagnetickou absorpci.
- Uzemnění: zemní rovina
- Signál 3: proužková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
- Výkon: tato výkonová rovina má větší výkonovou impedanci.
- Signál 4: mikropásková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
Typ C (osvědčený postup)
Toto je nejlepší forma stohování. Používá více referenčních rovin. To poskytuje velmi dobrou elektromagnetickou absorpci. Obvyklé pořadí je:
- Signál 1: strana součástky, mikropásková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
- Zem: dobrá absorpce vln
- Signál 2: proužková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
- Výkon: tato rovina výkonu a půda pod ní tvoří vynikající elektromagnetickou absorpci.
- Uzemnění: zemní rovina
- Signál 3: proužková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
- Uzemnění: druhá zemní rovina, dobrá absorpce vln
- Signál 4: mikropásková směrovací vrstva, dobrá směrovací vrstva
3. Jak zvolit počet vrstev a stohování
Počet vrstev a formu stohování můžete zvolit na základě mnoha faktorů. Mezi ně patří: počet signálních sítí na desce, hustota součástek, hustota vývodů, frekvence signálů a velikost desky. Zvažte je všechny dohromady.
Poznámky k designu:
- Pokud je signálních sítí mnoho, navrhněte více vrstev.
- Pokud je hustota komponent vysoká, zvolte více vrstev.
- Pokud je hustota kolíků vysoká, zvolte více vrstev.
- Pokud je frekvence signálu vysoká, zvolte více vrstev.
- Chcete-li dosáhnout dobrých parametrů EMI, snažte se zajistit, aby každá signální vrstva měla svou vlastní referenční vrstvu. Referenční vrstvou může být zem nebo napájení. To pomáhá kontrolovat impedanci a poskytuje těsné zpětné cesty. Těsné zpětné cesty snižují plochu smyčky. Menší plocha smyčky snižuje vyzařování a citlivost na rušení.
4. Jednoduchá pravidla, která je třeba dodržovat při všech návrzích
- Každé vrstvě směrování přiřaďte blízkou referenční rovinu. To pomáhá kontrolovat impedanci a zpětný proud.
- Pokud můžete, spárujte napájecí a zemnicí roviny. Udržujte malé rozestupy. Tím se zvýší kapacita roviny. Vysoká kapacita roviny snižuje šum.
- Zemnící rovinu umístěte vedle signálové vrstvy, která má husté směrování. To pomáhá absorbovat a zastavit vyzařování.
- Pro snížení přeslechů použijte ortogonální směrování na sousedních signálních vrstvách.
- Pro směrování napájení ve smíšených vrstvách používejte široké stopy, abyste udrželi nízkou impedanci napájecí cesty.
- Měděné propojovací lišty na napájecí a zemnicí rovině umožňují získat silná stejnosměrná a nízkofrekvenční spojení.
- Při nastavování plochy desky dodržujte pravidlo 20H a mějte na paměti pravidla pro návrh zrcadlových vrstev.
- U vysokorychlostních konstrukcí nebo konstrukcí s vysokou hustotou dávejte přednost šestivrstvým nebo osmivrstvým deskám, aby každá signální vrstva mohla mít blízkou referenci.
- Pro nízkofrekvenční analogové konstrukce mohou fungovat jedno- nebo dvouvrstvé desky, pokud udržujete malé plochy smyček a zem umístíte blízko signálů.
- Pokud můžete, uzavřete vnitřní výkonové a zemní roviny. Tím se zlepší oddělování a sníží elektromagnetické rušení.
5. Závěrečná poznámka
Volba stohování je systémový obchod. Podívejte se na sítě, rozložení, umístění součástek, počet pinů a frekvenci najednou. Pro lepší kontrolu EMI a signálů dejte každé signálové vrstvě jasnou blízkou referenci. Pokud je to možné, používejte párové roviny a malé rozestupy rovin. U vícevrstvých desek používejte více zemních rovin pro nejlepší elektromagnetickou absorpci. Při návrhu vyvažujte náklady a výkon. Řiďte se výše uvedenými jednoduchými pravidly a zvolte uspořádání, které vyhovuje potřebám vaší desky.
