1. Definice a kdy přidávat vrstvy
Pro vysokorychlostní vícevrstvé desky, základní dvouvrstvá konstrukce často nedokáže splnit požadavky na kvalitu signálu a hustotu trasování. V takovém případě je třeba do vrstvení desky plošných spojů přidat další vrstvy, aby byly splněny požadavky návrhu.
2. Kladné (signální) roviny a záporné (invertované) roviny
Pozitivní rovina je běžná signální vrstva používaná pro trasování. Viditelnými částmi jsou měděné vodiče. Na pozitivní rovině lze vytvářet rozsáhlé měděné výplně a vyplňovat oblasti mědí, například pomocí termínů jako “trace” nebo “copper” k popisu měděných oblastí. Viz obrázek 8-32.
U negativní roviny je to naopak. U negativní roviny se ve výchozím nastavení vyplní měď po celé vrstvě. Oblasti pro trasování představují výřezy. Na trasovaných vedeních není žádná měď. Postup spočívá v tom, že se měď vyřízne a poté se pro vyříznuté oblasti nastaví sítě. Viz obrázek 8-33.
3. Rozdělení vnitřních napájecích a zemnicích ploch
Ve starších verzích programu Protel se vnitřní napájecí vrstvy rozdělovaly pomocí funkce “split”. V aktuálních verzích, jako jsou například Altium Designer 19, rozdělení provedete nakreslením “čar” a k jejich umístění použijete klávesovou zkratku “PL”. Rozdělovací čáry by neměly být příliš tenké. Můžete zvolit tloušťku 15 mil nebo větší. Po rozdělení, když vyplňujete měď, nakreslete uzavřený mnohoúhelník nástrojem “čára”, poté dvakrát klikněte dovnitř mnohoúhelníku a nastavte síť pro vyplnění mědí. Viz obrázek 8-34.
Jako vnitřní napájecí nebo zemnící vrstvy lze použít jak kladné, tak záporné roviny. Kladnou vnitřní rovinu lze také vytvořit pomocí frézování a vyplnění mědí. Výhodou záporné roviny je, že standardně začínáte s velkou plochou vyplněnou mědí. Poté můžete přidávat průchody nebo měnit velikost vyplněných ploch, aniž byste museli znovu vyplňovat celou vrstvu. To šetří čas při přepočítávání vyplněných měděných ploch. Pokud se vnitřní vrstvy používají jako napájecí a zemnící plochy (nazývané také zemnící nebo zpětné plochy), tvoří je většinou velké vyplněné měděné plochy. Výhoda použití negativních ploch je zde zřejmá.
4. Porozumění vrstvení desek plošných spojů
S rostoucí oblibou vysokorychlostních obvodů se zvyšuje i složitost desek plošných spojů. Aby se zabránilo elektrickému rušení, je nutné oddělit signální vrstvy od napájecích vrstev. To vede k návrhu vícevrstvých desek plošných spojů. Před návrhem vícevrstvé desky plošných spojů musí projektant nejprve rozhodnout o struktuře desky na základě velikosti obvodu, rozměrů desky a požadavků na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Jinými slovy, musí se rozhodnout, zda použít čtyřvrstvou, šestivrstvou nebo vícevrstvou desku. To je základní princip návrhu vícevrstvých desek.
Po určení počtu vrstev je dalším krokem umístění vnitřních napájecích a zemnicích vrstev a rozhodnutí o tom, jak rozložit různé typy signálů mezi tyto vrstvy. Tato volba se nazývá volba vrstvení. Struktura vrstvení je důležitým faktorem, který ovlivňuje EMC vlastnosti desky plošných spojů. Dobře navržená vrstvená struktura může výrazně snížit elektromagnetické rušení (EMI) a přeslech.
Více vrstev není vždy lepší, stejně jako méně vrstev není vždy lepší. Při volbě vícevrstvého uspořádání je třeba zvážit mnoho faktorů. Z hlediska trasování usnadňuje větší počet vrstev trasování. Stoupají však také výrobní náklady a náročnost výroby. Pro výrobci, při výrobě je důležitým hlediskem to, zda je vrstvení symetrické. Počet vrstev proto musí vyhovovat všem požadavkům.
Zkušení návrháři obvykle nejprve provedou předběžné rozmístění součástek. Poté analyzují úzká místa při vedení tras. Zohledňují speciální požadavky na vedení tras, jako jsou diferenciální páry a citlivé sítě. Na základě toho rozhodnou, kolik signálních vrstev je zapotřebí. Následně určí počet vnitřních napájecích a zemnicích vrstev na základě typů napájení, požadavků na izolaci a potlačení rušení. Poté je celkový počet vrstev desky v zásadě stanoven.
5. Běžné vrstvení desek plošných spojů
Jakmile je počet vrstev stanoven, je třeba určit jejich pořadí. Obrázky 8-35 a 8-36 znázorňují běžná uspořádání vrstev u čtyřvrstvých a šestivrstvých desek.
6. Analýza vrstvení
Jak vrstvit? Která kombinace vrstev je lepší? Řiďte se těmito základními pravidly:
Pokud je to možné, vytvořte ze strany s komponenty i ze strany s pájkami plné zemnící plochy (to zajišťuje stínění).
Snažte se co nejvíce vyhnout sousedícím paralelním vrstvám trasování.
Pokud je to možné, umístěte všechny signální vrstvy v bezprostřední blízkosti zemnící plochy.
Umístěte kritické signály vedle zemnící vrstvy a vyhněte se jejich křížení v rozdělených oblastech.
Tato pravidla aplikujte na typické příklady vrstvení znázorněné na obrázcích 8-35 a 8-36. Analýza je následující.
(1) Tabulka 8-1 porovnává výhody a nevýhody tří běžných schémat vrstvení čtyřvrstvých desek.
| Schéma | Schéma (ASCII art) | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|---|
| Schéma 1 | ┌─────────────────────┐ │ PWR01 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Zem) │ └─────────────────────┘ | Toto schéma je navrženo především tak, aby bylo dosaženo jednovrstvého stínění, přičemž napájecí vrstva a zemnící vrstva jsou umístěny na horní, respektive spodní vrstvě. | (1) Napájecí a zemnící roviny jsou od sebe příliš vzdálené, což vede k nadměrné impedanci v napájecí rovině; (2) Napájecí a zemnící roviny jsou značně neúplné v důsledku vlivu kontaktních ploch součástek a dalších faktorů; (3) Neúplná referenční rovina způsobuje přerušení signálových tras, což ztěžuje dosažení očekávaného stínícího účinku. |
| Schéma 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Signál) │ └─────────────────────┘ | Pod stranou s komponenty je umístěna zemnící plocha, díky čemuž je deska vhodná pro situace, kdy jsou hlavní komponenty umístěny na horní vrstvě nebo jsou klíčové signály vedeny po horní vrstvě. | / |
| Schéma 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ PWR02 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Signál) │ └─────────────────────┘ | Stejně jako u schématu 2 je vhodné pro případy, kdy jsou hlavní součástky umístěny na spodní vrstvě nebo kdy jsou klíčové signály vedeny po spodní vrstvě. | / |
(2) Tabulka 8-2 porovnává výhody a nevýhody čtyř běžných schémat vrstvení šestivrstvých desek.
| Schéma | Schéma (ASCII art) | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|---|
| Schéma 1 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signál) │ └─────────────────────┘ | Využívá 4 signální vrstvy a dvě vnitřní napájecí a zemnící vrstvy, čímž poskytuje více signálních vrstev pro snazší vedení tras mezi součástkami. | (1) Napájecí a zemnící vrstva jsou od sebe příliš vzdálené, což má za následek nedostatečné vazby; (2) Signální vrstvy SIN03 a SIN04 jsou vedeny převážně na povrchových vrstvách, což vede ke špatné izolaci signálu a přeslechu, a proto je nutné je vést střídavě. |
| Schéma 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ PWR04 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ SIN05 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signál) │ └─────────────────────┘ | Napájecí a zemnící rovina jsou plně propojeny. | Sousední vrstvy povrchových signálních vrstev jsou rovněž signálními vrstvami, což vede ke špatné izolaci signálu a přeslechu. |
| Schéma 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signál) │ └─────────────────────┘ | (1) Napájecí a zemnící plocha jsou plně propojeny; (2) Každá signální vrstva přímo sousedí s vnitřní napájecí/zemnící plochou, což zajišťuje účinné oddělení od ostatních signálních vrstev a snižuje přeslech;(3) Signální vrstva SIN03 sousedí se dvěma vnitřními rovinami (GND02 a PWR05), které mohou účinně stínit vnější rušení na vrstvě SIN03 a přeslech z vrstvy SIN03 do ostatních vrstev. | / |
| Schéma 4 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signál) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Zem) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Napájení) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signál) │ └─────────────────────┘ | (1) Napájecí a zemnící plocha jsou plně propojeny; (2) Každá signální vrstva přímo sousedí s vnitřní napájecí/zemnící plochou, což zajišťuje účinné oddělení od ostatních signálních vrstev a snižuje přeslech. | / |
Při srovnání schémat 1 až 4 je zřejmé, že pokud je nejvyšší prioritou kvalita signálu, jsou schémata 3 a 4 jednoznačně lepší než první dvě schémata. V reálném návrhu výrobků však hrají významnou roli náklady. Vzhledem k vysoké hustotě trasování se návrháři často rozhodnou pro schéma 1, aby ušetřili náklady. Při trasování podle schématu 1 věnujte zvláštní pozornost křížením mezi dvěma sousedními signálními vrstvami a snažte se co nejvíce omezit přeslech.
(3) U běžných 8vrstvých desek jsou doporučené varianty vrstvení znázorněny na obrázku 8-37. Upřednostněte variantu 1 nebo variantu 2. Varianta 3 je také použitelná.
7. Přidávání a úpravy vrstev
Jak se v programu Altium Designer přidávají vrstvy po potvrzení plánu vrstvení? Následuje jednoduchý příklad.
Spusťte příkaz z nabídky “Návrh → Správce vrstev” nebo stiskněte klávesovou zkratku “DK”, čímž otevřete Správce vrstev. Nastavte příslušné parametry podle obrázku 8-38.
Chcete-li přidat vrstvu, klikněte pravým tlačítkem myši a vyberte možnost “Vložit vrstvu nad” nebo “Vložit vrstvu pod”. Můžete přidat kladnou nebo zápornou rovinu. Pomocí příkazů “Posunout vrstvu nahoru” nebo “Posunout vrstvu dolů” můžete upravit pořadí přidaných vrstev.
Chcete-li vrstvu přejmenovat, dvakrát na ni klikněte. Vrstvy můžete pojmenovat například TOP, GND02, SIN03, SIN04, PWR05, BOTTOM atd. Altium Designer 19 podporuje tento způsob pojmenování “písmeno + číslo vrstvy”. To usnadňuje čtení a rozpoznávání.
Nastavte tloušťku desky a vrstev podle skladby.
Chcete-li splnit požadavek 20H uvedený v konstrukčním návrhu, můžete nastavit velikost výklenku (vnitřní odsazení) záporné roviny. [Poznámka: v původním textu je uvedeno “20H”. Překladatel tento termín ponechal v původním znění.]
Kliknutím na tlačítko “OK” dokončete nastavení vrstvení. Příklad výsledku vrstvení čtyřvrstvé desky je znázorněn na obrázku 8-39.
8. Doporučení
Doporučuje se považovat signální vrstvy za kladné roviny a napájecí a zemnící vrstvy za záporné roviny. Tento přístup může výrazně snížit velikost datových souborů a urychlit návrhovou práci.
