Introduktion
Informationsalderen er kommet, og brugen af printkort bliver ved med at vokse. PCB-designs bliver mere og mere komplekse. Når elektroniske dele placeres tættere på hinanden på printkort, bliver elektrisk interferens et almindeligt problem. På flerlagskort skal signallag og strøm- eller jordlag adskilles. Det gør stack-up-design og lagrækkefølge meget vigtigt. En god stack-up kan reducere EMI og krydstale meget.
Hvorfor bruge flerlagsplader?
Sammenlignet med enkeltlagskort tilføjer flerlagskort signallag, routinglag og separate strøm- og jordplaner. Den største fordel er, at de giver en stabil spænding til digitale signaler. De spreder strømmen jævnt til alle dele. Det hjælper med at sænke støjen mellem signalerne.
Effektplan og jordplan
Ved at bruge store kobberplader til strøm og et solidt jordplan sænkes modstanden i disse planer. Lavere modstand holder spændingen i effektplanet stabil. Det hjælper hver signallinje med at bevare sin karakteristiske impedans. Stabil impedans hjælper med at reducere refleksioner og lavere krydstale. I high-end PCB-design vælger designere ofte stack-ups med mere end seks lag. Flerlagskort slår enkelt- eller lavlagskort på elektrisk ydeevne og på at reducere elektromagnetisk stråling. Omkostningerne stiger med flere lag. Prisen på printkort afhænger af antallet af lag og tætheden af routing pr. arealenhed. Hvis man skærer i lagene for at spare penge, mister man plads til routing. Det øger routing-tætheden. Du kan få brug for smallere spor og mindre mellemrum for at opfylde designet. Disse ændringer kan øge omkostningerne eller gøre kortet sværere at lave. At skære i lag kan sænke omkostningerne, men det kan gå ud over den elektriske ydeevne. Det valg kan give bagslag.
Mikrostrip, returvej og jordplan som en del af transmissionslinjen
Hvis man ser på et PCB-mikrostrip-layout som en model, kan jordplanet være en del af transmissionslinjen. Jordkobberet under et signalspor fungerer som returvej for signalet. Effektplanet er bundet til jord gennem afkoblingskondensatorer i AC-visningen. Disse to planer fungerer på samme måde for signalretur. Forskellen mellem lavfrekvente og højfrekvente strømsløjfer er, hvordan returstrømmen finder sin vej. Ved lav frekvens vender strømmen tilbage ad den vej, der har mindst modstand. Ved høj frekvens vender strømmen tilbage ad den vej, der har mindst induktans. Returstrømmen har en tendens til at koncentrere sig direkte under signalsporet.
Højfrekvent returstrøm og selvafskærmning
Ved høje frekvenser, hvis et spor ligger lige over jordoverfladen, selv med mange returveje, vil strømmen vende tilbage under signalsporet på det nærmeste routinglag, der fører tilbage til kilden. Den sti har den laveste impedans. Ved at bruge store afkoblingskondensatorer til at forbinde strøm til jord undertrykker man elektriske felter ved hjælp af kapacitans. Hvis returvejen har lav induktans, undertrykkes magnetfelterne. Denne kombination af effekter holder nettoreaktansen lav. Det kalder vi selvafskærmning.
Loop-område, afstand og strømtæthed
Ud fra ligningerne for returstrøm kan vi se, at returstrømstætheden er omvendt relateret til afstanden fra signalsporet. En mindre afstand giver et mindre loop-areal og en mindre induktans. Vi kan også se, at hvis signallinjen og returvejen er tæt på hinanden, er strømmene i dem lige store og har modsatrettet retning. Deres magnetfelter ophæver hinanden i det nære rum. Det gør ekstern EMI meget lille. I stack-up-design er det bedst at placere et jordplan tæt på hvert signallag.
Krydstale forårsaget af gensidig induktans
Ved krydstale i jordplan forårsager højfrekvente kredsløb hovedsageligt krydstale ved induktiv kobling. Ud fra formlen for returstrøm danner to nærliggende signalspor overlappende strømsløjfer. Disse overlappende sløjfer skaber interferens i magnetfeltet. Koblingsfaktoren K i formlen afhænger af signalets stigningstid og af længden på det forstyrrende spor. I opstillingen reduceres interferensen fra jordplanet ved at bringe signallaget og jordplanet tættere på hinanden.
Kobberstøbninger, spalter og isoleringsvægge
Når designere støber kobber til strøm og jord, skal de være forsigtige med ikke at skabe en isolationsvæg i støbeområdet. Dette problem opstår ofte på grund af for mange vias eller en dårlig via-isoleringsplan. Resultatet kan være en langsom edge rise, et større loop-område, højere induktans og mere krydstale og EMI.
Via-tæthed og via-hegn kan dele jordoverfladen op i øer. Disse øer tvinger returstrømmen til at tage en længere vej. Det øger looparealet og induktansen. For at undgå dette skal du designe via-placering og planopdelinger, så returstrømmen kan flyde jævnt. Når du er nødt til at opdele planer til forskellige spændinger, skal du placere stitching vias og holde afkoblingen tæt på enhederne.
Parring af kobberskænkninger for procesbalance
Når vi lægger kobber i printet, skal vi forsøge at placere udstøbninger parvis for at opnå balance i processen. Dette er et problem ved PCB-produktion. Ubalanceret kobber kan gøre printet skævt. For hvert signallag er det bedst at have et matchende kobberlag som nabo. Afstanden mellem et højstrømsplan og et nærliggende kobberlag påvirker stabiliteten og EMI. I højhastighedskortdesign er det almindeligt at tilføje ekstra jordlag for at adskille signallagene. Disse ekstra jordlag fungerer som skjold og hjælper med at holde EMI nede.
Afkobling og returvej tæt på kilden
Hold afkoblingskondensatorer tæt på enhedernes strømstifter. Afkoblingskondensatorer binder strøm- og jordplanerne sammen ved høj frekvens. God afkobling giver en kort returvej i nærheden af enheden. Det reducerer loop-området og sænker induktansen. Korte sløjfer sænker EMI og krydstale.
Impedansstyring og sporingsegenskaber
Styring af sporimpedans betyder, at sporets geometri og dielektriske egenskaber holdes stabile. En stabil impedans holder signalerne rene og reducerer refleksioner. For at kontrollere impedansen skal du placere sporet over et solidt referenceplan og holde afstanden og den dielektriske konstant konsistent. Jordreference lige under sporet giver god mikrostrip- eller stripline-opførsel. Det hjælper både single-ended og differentielle par.
Differentielle par og common-mode-støj
Differentielle par har brug for en tæt afstand og et solidt referenceplan for at holde den differentielle impedans stabil. Differentialsignalering reducerer common-mode-støj, hvis parret er godt dirigeret. Hold parret sammen, undgå stubbe, og hold returplanet tæt. Det reducerer både udstrålet EMI og krydstale til nærliggende net.
Routing-regler og afvejning af antal lag
Når antallet af lag går ned, går pladsen til routing også ned. Det tvinger designerne til at reducere sporbredde og mellemrum. Den højere routingtæthed kan øge krydstale og impedansvariation. I mange designs er det rigtige valg at acceptere et højere antal lag for at gøre routing lettere og for at bevare den elektriske ydeevne. Omkostningerne ved flere lag er reelle, men dårlig signalintegritet kan koste mere i fejlsøgningstid og produktfejl.
Højhastighedskort og ekstra jordlag
Højhastighedskort har fordel af at tilføje jordlag for at isolere signallagene. Det reducerer koblingen mellem signaler på forskellige lag. De ekstra jordlag fungerer som afskærmninger. De giver en nærliggende returvej med lav induktans. Det reducerer EMI og gør timingen mere forudsigelig.
Praktiske tips til stack-up og routing
- Sæt et solidt jordplan tæt på hvert højhastighedssignallag.
- Brug powerplanes med bred kobberhældning, og hold dem med lav modstand.
- Placer afkoblingshætter nær strømstifterne, og forbind strøm til jord med korte stier.
- Undgå plane splits under højhastighedsspor. Hvis du er nødt til at splitte, skal du tilføje vias i nærheden af sporet.
- Hold øje med tætheden, så du ikke skaber afbrydelser i flyet.
- Hold sporene korte og undgå stubbe.
- Brug differentielle par til signaler, der kræver støjimmunitet.
- Vælg en opstilling, der holder returvejen kort og loopområdet lille.
- Balancer kobberet på de yderste lag for at reducere skævvridning.
Sammenfatning
Når elektronikken bliver tættere, bliver EMI og krydstale et større problem. PCB'er i flere lag giver værktøjer til at bekæmpe disse problemer. Strøm- og jordplaner, parvis kobberudstøbning, tæt stabling og god afkobling hjælper alt sammen. En omhyggelig lagplan og routingpraksis sænker loopområdet og induktansen. Det reducerer EMI og krydstale. I sidste ende sparer gode valg af stack-up og routing tid og penge ved at reducere risikoen for fejlfinding og fejl.
