I. Přehled určování počtu vrstev PCB

Celkový počet vrstev DPS není na začátku pevně stanoven. Inženýři rozhodují o počtu vrstev na základě potřeb desky. Celkový počet vrstev vychází z počtu signálových vrstev plus počtu napájecích a zemnících rovin. Inženýři se zabývají rozložením desky, typy součástek a elektrickými potřebami. Poté naplánují, kolik signálních vrstev je potřeba a kolik napájecích/zemních vrstev je potřeba. Cílem plánu je usnadnit směrování, kontrolovat kvalitu signálu a dodržet nákladové limity.

II. Plánování výkonových a zemních vrstev

A. Jak zvolit počet výkonových vrstev

Počet napájecích rovin je dán především těmito body: kolik různých napájecích lišt deska potřebuje, jak jsou tyto lišty rozděleny po desce, jaký proud musí každá lišta přenášet, jaké jsou výkonnostní cíle desky a cenové limity pro jednu desku. Počet napájecích rovin vybíráte tak, aby každá hlavní napájecí kolejnice měla vlastní rovinu nebo dobře definovanou oblast roviny. Musíte se také ujistit, že se napájecí roviny nepřekrývají způsobem, který způsobuje křížový hovor nebo vytváří rozdělené roviny, které poškozují výkon.

Pro uspořádání výkonové roviny jsou důležitá dvě pravidla:

Výkonové sítě by se neměly míchat ve stejné rovině způsobem, který způsobuje rušení. Stručně řečeno, vyhněte se výkonovým sítím, které se prolínají v jedné fyzické rovině.

Vyhněte se vedení důležitých signálů přes rozdělení v sousedních rovinách. Pokud signál musí překonat rozdělení, může dojít k přerušení referenční roviny signálu. Tím se přeruší cesty zpětného proudu a poškodí se integrita signálu. Uspořádejte proto stohy rovin tak, aby důležité signály nekřížily rozdělení.

B. Jak zvolit počet podkladových vrstev

Při nastavování podkladových vrstev věnujte pozornost těmto bodům:

Vrstva přímo pod hlavní stranou součástky by měla mít většinou souvislou zemnící rovinu. To napomáhá zpětnému proudu a snižuje šum pro součástky na horní straně.

Vysokorychlostní signály, vysokofrekvenční sítě a taktovací sítě musí odkazovat na pevnou zemní rovinu. Touto rovinou protéká jejich zpětný proud. Pokud je rovina přerušena, signály jsou rušeny a dochází k EMI.

Hlavní výkonové a zemní roviny by měly být těsně a dobře propojeny. Těsné spojení snižuje impedanci roviny a pomáhá integritě napájení. Nízká impedance pomáhá udržet nízké zvlnění a poskytuje stabilní napájení integrovaných obvodů.

V praxi bude návrh s mnoha rychlými sítěmi potřebovat více zemních rovin nebo alespoň dvojici výkonových a zemních rovin blízko sebe. Tím se dosáhne lepšího oddělení a snadnějšího řízení impedance.

III. Plánování počtu signálních vrstev

A. Směrovací kanály a jejich význam

Směrovací kanály často rozhodují o tom, kolik signálových vrstev potřebujete. Začněte tím, že budete hledat hluboké BGA nebo velké konektory na desce. Hloubka BGA a rozteč pinů BGA jsou klíčem k tomu, kolik potřebujete únikových vrstev. Například BGA s roztečí 1,0 mm často umožňuje dvě stopy mezi dvěma průchodkami. BGA s roztečí 0,8 mm často umožňuje pouze jednu stopu mezi dvěma průchodkami. Tento rozdíl mění počet trasovacích vrstev, které musíte mít.

Pokud BGA umožňuje dvě stopy mezi dvěma průchodkami, může únik BGA sdílet dvě směrovací vrstvy. Pokud BGA umožňuje pouze jednu stopu mezi dvěma průchodkami, může únik potřebovat až čtyři směrovací vrstvy pro směrování všech sítí ven. Při plánování vrstev je tedy zásadní rozteč BGA a geometrie fanoušků.

Konektory se liší. U konektorů je hlavním faktorem hloubka a rozteč pinů. Obvykle se mezi dvěma konektorovými průchodkami vede jeden diferenciální pár. Toto pravidlo vám pomůže odhadnout, kolik kanálů potřebujete pro oblasti konektorů.

B. Vysokorychlostní sítě a potřeby směrovacích kanálů

Dále zvažte vysokorychlostní signály. Vysokorychlostní směrování vyžaduje více podmínek. Musíte myslet na odbočky, vzdálenost tras a referenční roviny. Vysokorychlostní sítě jsou citlivé na řízení impedance a zpětný proud. Zkontrolujte tedy, zda jsou směrovací kanály pro tyto sítě dostatečně široké a volné.

Při plánování určete, které sítě jsou vysokorychlostní. Při směrování jim dejte přednost. Vyhraďte si kanály, které umožňují správné rozestupy a řízenou impedanci. Pamatujte také na diferenciální páry. Diferenciální vedení potřebují přizpůsobené délky a těsné propojení s referencí. U vysokorychlostních párů dodržujte konzistentní vzdálenost od referenční roviny a udržujte páry mimo rušivé sítě.

C. Úzké nebo zúžené oblasti

Nakonec naplánujte oblasti s úzkými místy na desce. Po základním umístění a globálním plánování směrování najděte úzké oblasti, kde musí mnoho sítí projít malou mezerou. Jedná se o místa, kde dochází k ucpání. Pro každé úzké místo spočítejte počet potřebných stop, diferenciálních párů a citlivých sítí. Poté rozhodněte o počtu vrstev potřebných k tomu, aby touto oblastí prošla všechna požadovaná vedení.

Postupujte krok za krokem:

Označte oblast úzkého hrdla.

Vypište všechny sítě, které jím musí procházet.

Do seznamu zahrňte diferenciální páry a kritické signály.

Vypočítejte počet stop, které se do této mezery vejdou na jednu vrstvu směrování.

Vynásobte počet vrstev trasování, které můžete pro danou oblast použít.

Tím je dán celkový počet stop, které mohou projít. Pokud je tento počet menší než počet potřebných sítí, přidejte směrovací vrstvy nebo změňte umístění, abyste snížili přetížení.

IV. Příklady a jednoduchá pravidla

A. Příklady úniku BGA

Pokud můžete vést dvě stopy mezi dvěma průchodkami na BGA, můžete často použít dvě směrovací vrstvy pro únik BGA. To je běžný případ pro balíčky BGA s roztečí 1,0 mm.

Pokud můžete vést pouze jednu stopu mezi dvěma průchodkami, můžete potřebovat čtyři směrovací vrstvy pro vedení všech vývodů BGA. To se často stává u BGA s menší roztečí, například 0,8 mm.

B. Příklad směrování konektorů

U mnoha konektorů předpokládejte, že můžete vést jeden diferenciální pár na dvě průchodky. Podle toho určete velikost směrovacích kanálů v blízkosti konektoru. Pokud má konektor mnoho linek, potřebujete více směrovacích vrstev nebo jinou stopu konektoru.

C. Příklad vysokorychlostního signálu

U diferenciálního páru MIPI nebo USB je nutné udržovat pár v blízkosti referenční roviny a zachovat správnou vzdálenost mezi páry a šířku stopy pro cílovou impedanci. Pokud je směrovací kanál úzký, můžete potřebovat více vrstev, abyste udrželi rozložení čisté a splnili cílovou impedanci.

V. Více o plánování integrity signálu a vyrobitelnosti

A. Zpětná cesta musí být krátká a místní

Signálové vrstvy vždy plánujte tak, aby zpětný proud mohl protékat blízkou zemní rovinou. Pokud je signální vrstva vedle zemní roviny, je zpětná cesta krátká a EMI je nízké. Pokud umístíte signální vrstvu mezi dvě smíšené roviny nebo v blízkosti rozdělené roviny, není zpětná cesta lokální. To způsobuje větší EMI a může poškodit integritu signálu.

B. Sledujte dělené roviny a švy

Pokud je nutné rozdělit letadlo, nasměrujte citlivé signály tak, aby nepřekračovaly rozdělení. Pokud vysokorychlostní síť musí překračovat rozdělení roviny, zajistěte jasnou zpětnou cestu nebo prošití, aby byla zpětná cesta konzistentní. Pro snížení plochy smyčky použijte průchodky a zemnicí průchodky v blízkosti okrajů rozdělení.

C. Udržujte páry napájení/země blízko sebe v zásobníku.

Pokud umístíte výkonovou rovinu vedle zemní roviny, vytvoří tato dvojice kondenzátor. To pomáhá oddělit napájení a snížit impedanci roviny. To je velmi užitečné pro integritu napájení. Pokud máte více napájecích lišt, snažte se je seskupit do párových stohů nebo používejte rozdělené roviny pouze tehdy, když řídíte směrování, abyste se vyhnuli dlouhým zpětným cestám.

D. Včasné zvážení pravidel vyrobitelnosti

Nastavení limitů DFM na začátku. Zadejte minimální šířku stopy, minimální rozteč stop, minimální kroužek a minimální velikost vrtáku. Přizpůsobte svá konstrukční pravidla tomu, co může továrna spolehlivě vyrobit. Pokud plánujete velmi tenké stopy nebo velmi malé průchodky, ověřte, zda je výrobce zvládne a jak se změní náklady.

VI. Podrobnější výpočet úzkého místa

A. Jak počítat jízdní pruhy v mezeře

Změřte šířku mezery v oblasti úzkého hrdla.

Pomocí plánované šířky stopy a rozteče vypočítejte, kolik jednostranných stop se vejde do jedné vrstvy. U diferenciálních párů spočítejte, kolik párů se vejde na základě rozteče párů.

Zohledněte oblasti s ochranou a průchodky, které blokují dráhy. Zmenšete využitelnou šířku o prostor zabraný průchozími poli nebo mechanickými otvory.

B. Rozhodněte o počtu vrstev na základě kapacity mezery

Pokud jedna vrstva unese potřebné stopy, je vše v pořádku.

Pokud ne, přidejte další vrstvu směrování a zkontrolujte ji znovu.

Pokud přidání vrstev není možné, zvažte přesunutí dílů, změnu konektoru nebo změnu strategie větrání BGA.

VII. Vše dohromady - praktický průběh plánování vrstev

Krok 1. Seznam omezení a cílů

Sestavte krátký seznam: počet BGA a jejich rozteč, počet konektorů, počet vysokorychlostních sítí, seznam napájecích lišt, výkonnostní cíle a cílové náklady.

Krok 2. Načrtněte předběžný rozpis

Začněte s nezbytnými napájecími a zemnicími rovinami blízko středu. Kolem nich umístěte signálové vrstvy. Tam, kde potřebujete nízkou impedanci, použijte dvojice výkon/zem.

Krok 3. Zkontrolujte potřeby úniku BGA

Zkontrolujte každý BGA. Pokud potřebujete více únikových linek, přidejte signální vrstvy nebo změňte půdorys BGA.

Krok 4. Kontrola vysokorychlostních směrovacích kanálů

Označte všechny vysokorychlostní sítě. Vyhraďte pro ně směrovací kanály. Pokud jsou kanály těsné, přidejte vrstvy nebo změňte umístění.

Krok 5. Kontrola úzkých míst

Spočítejte kapacitu každé úzké mezery. Pokud kapacita nestačí, přidejte vrstvy nebo věci přesuňte.

Krok 6. Finalizace zásobníku a pravidel

Oprava stohování. Nastavte šířku stopy, rozestupy a cílové impedance. Ujistěte se, že návrh dodržuje DFM.

Krok 7. Ověření s inženýry a výrobcem

Zkontrolujte sestavu s výrobcem desek plošných spojů a s inženýry pro integritu signálu. Vyžádejte si včasné připomínky a upravte je.

VIII. Krátké shrnutí

Plánování vrstev je kombinací elektrických potřeb a praktického směrování. Napájecí a zemnící vrstvy se plánují tak, aby bylo napájení stabilní a zpětné cesty krátké. Signálové vrstvy plánujete na základě směrovacích kanálů, rozteče BGA, hloubky konektorů a úzkých míst. Pokud plánujete dobře, bude směrování jednodušší a spolehlivější. Zjednodušeně řečeno, návrh desek plošných spojů je jako stavba vysoké budovy. Plán vrstev je výkres. Pokud je výkres správný, stavba probíhá hladce.