1. Βασικές αρχές του σχεδιασμού Stackup
Συνολικά, ο σχεδιασμός στοίβαξης πρέπει να ακολουθεί δύο κανόνες:
- Κάθε επίπεδο δρομολόγησης πρέπει να έχει ένα κοντινό επίπεδο αναφοράς. Το στρώμα αναφοράς μπορεί να είναι ένα επίπεδο ισχύος ή ένα επίπεδο γείωσης.
- Κρατήστε το κύριο επίπεδο ισχύος και το επίπεδο γείωσης όσο το δυνατόν πιο κοντά. Αυτό δίνει μεγαλύτερη χωρητικότητα σύζευξης.
Παρακάτω παρατίθενται παραδείγματα στοίβαξης από πλακέτες δύο στρωμάτων έως πλακέτες οκτώ στρωμάτων.
2. Σχήματα στοίβαξης ανά αριθμό στρώσεων PCB
2.1 Στοίβαξη πλακετών ενός και δύο επιπέδων
Για πλακέτες δύο στρώσεων, ο αριθμός των στρώσεων είναι χαμηλός. Τα προβλήματα συσσώρευσης δεν υφίστανται με τον ίδιο τρόπο που υφίστανται για τις πλακέτες πολλών στρωμάτων. Ο έλεγχος της ακτινοβολίας ΗΜΙ πρέπει να προέρχεται από τη δρομολόγηση και τη διάταξη.
Μονοστρωματικό και οι πλακέτες διπλής στρώσης έχουν αυξανόμενα προβλήματα ΗΜΣ. Η κύρια αιτία είναι ότι οι περιοχές βρόχων σήματος μπορεί να γίνουν μεγάλες. Οι μεγάλες περιοχές βρόχων όχι μόνο δημιουργούν έντονη ακτινοβολία, αλλά καθιστούν επίσης το κύκλωμα ευαίσθητο στον εξωτερικό θόρυβο. Για τη βελτίωση της ΗΜΣ, το απλούστερο βήμα είναι η μείωση της περιοχής βρόχου των βασικών σημάτων.
Βασικά σήματα: Από την άποψη της ΗΜΣ, τα σήματα-κλειδιά είναι εκείνα που προκαλούν ισχυρή ακτινοβολία και εκείνα που είναι ευαίσθητα στον εξωτερικό θόρυβο. Τα σήματα που προκαλούν ισχυρή ακτινοβολία είναι συνήθως περιοδικά σήματα. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα ρολόγια και τα σήματα διεύθυνσης χαμηλής τάξης. Τα σήματα που είναι ευαίσθητα στο θόρυβο είναι συνήθως αναλογικά σήματα χαμηλού επιπέδου.
Οι πλακέτες μονής και διπλής στρώσης χρησιμοποιούνται συνήθως σε αναλογικές κατασκευές χαμηλών συχνοτήτων κάτω των 10 kHz. Χρησιμοποιήστε αυτούς τους βασικούς κανόνες:
- Οδηγήστε την ισχύ στο ίδιο επίπεδο με ακτινικό τρόπο όταν μπορείτε. Προσπαθήστε να διατηρήσετε μικρό το συνολικό μήκος των ιχνών.
- Κρατήστε τα ίχνη τροφοδοσίας και γείωσης κοντά το ένα στο άλλο. Τοποθετήστε ένα ίχνος γείωσης δίπλα σε ένα βασικό σήμα. Τοποθετήστε αυτό το ίχνος γείωσης όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σήμα. Αυτό δημιουργεί μια μικρή περιοχή βρόχου. Η μικρή περιοχή βρόχου μειώνει την ακτινοβολία κοινού τρόπου και μειώνει την ευαισθησία του σήματος στον εξωτερικό θόρυβο. Όταν τοποθετείτε ένα ίχνος γείωσης δίπλα στο σήμα, ο μικρός βρόχος θα προσελκύσει το ρεύμα επιστροφής του σήματος. Το ρεύμα του σήματος περνάει τότε μέσα από αυτόν τον μικρό βρόχο και όχι από άλλες διαδρομές γείωσης.
- Για πλακέτα διπλής όψης, τοποθετήστε ένα φαρδύ ίχνος γείωσης στην άλλη πλευρά της πλακέτας ακριβώς κάτω από το ίχνος σήματος. Κάντε αυτό το ίχνος γείωσης όσο το δυνατόν πιο φαρδύ. Αυτό δημιουργεί μια περιοχή βρόχου που ισούται με το πάχος της πλακέτας επί το μήκος του σήματος.
2.2 Στοίβαξη πλακετών τεσσάρων στρωμάτων
Οι συνήθεις συσσωρεύσεις τεσσάρων στρωμάτων περιλαμβάνουν:
- SIG - GND (ή PWR) - PWR (ή GND) - SIG
- GND - SIG (ή PWR) - SIG (ή PWR) - GND
Και για τις δύο αυτές συστοιχίες, υπάρχει ένα πιθανό πρόβλημα με το τυπικό πάχος της πλακέτας των 1,6 mm (62 mil). Η απόσταση μεταξύ των στρώσεων γίνεται μεγάλη. Οι μεγάλες αποστάσεις καθιστούν δύσκολο τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης, της σύζευξης στρώσεων και της θωράκισης. Ειδικότερα, εάν η απόσταση μεταξύ των επιπέδων ισχύος και γείωσης είναι μεγάλη, η χωρητικότητα της πλακέτας πέφτει. Η χαμηλή χωρητικότητα της πλακέτας δεν είναι καλή για το φιλτράρισμα του θορύβου.
Για την πρώτη στοίβαξη (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
Οι άνθρωποι το χρησιμοποιούν συχνά όταν υπάρχουν πολλές μάρκες στο ταμπλό. Αυτή η στοίβαξη παρέχει καλή ακεραιότητα σήματος. Η απόδοση της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής δεν είναι τόσο καλή. Πρέπει να ελέγχετε την ΗΜΙ με προσεκτική δρομολόγηση και άλλες λεπτομέρειες.
Βασικά σημεία:
- Τοποθετήστε το επίπεδο γείωσης δίπλα στο στρώμα σήματος που έχει την πιο πυκνή δρομολόγηση. Αυτό συμβάλλει στην απορρόφηση και τη μείωση της ακτινοβολίας.
- Αυξήστε επίσης την περιοχή του σκάφους. Ακολουθήστε τον κανόνα 20H.
Για τη δεύτερη στοίβαξη (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
Οι άνθρωποι το χρησιμοποιούν όταν η πυκνότητα των τσιπ είναι χαμηλή και όταν η περιοχή των τσιπ έχει χώρο για χύτευση χαλκού ισχύος. Σε αυτή τη σχεδίαση, τα εξωτερικά στρώματα είναι επίπεδα γείωσης και τα δύο εσωτερικά στρώματα είναι σήματος ή ισχύος. Οδηγήστε την ισχύ στο στρώμα σήματος με πλατιά ίχνη. Τα φαρδιά ίχνη καθιστούν χαμηλή την αντίσταση της διαδρομής ισχύος και χαμηλή την αντίσταση του σήματος μικροταινίας. Τα εξωτερικά στρώματα γείωσης μπορούν να θωρακίσουν τα εσωτερικά σήματα από την ακτινοβολία. Από άποψη ελέγχου ΗΜΙ, αυτή είναι η καλύτερη δομή PCB τεσσάρων στρωμάτων που υπάρχει τώρα.
Βασικά σημεία:
- Διατηρήστε μεγαλύτερες τις αποστάσεις μεταξύ των δύο εσωτερικών στρωμάτων μικτού σήματος και ισχύος.
- Κάντε τις κατευθύνσεις δρομολόγησης ορθογώνιες μεταξύ αυτών των στρωμάτων για να αποφύγετε τη διασταύρωση.
- Ελέγξτε την περιοχή του πίνακα και ακολουθήστε τον κανόνα 20H.
- Εάν πρέπει να ελέγξετε την αντίσταση δρομολόγησης, τοποθετήστε προσεκτικά ίχνη κάτω από τις χάλκινες νησίδες τροφοδοσίας και γείωσης.
- Επίσης, προσπαθήστε να διασυνδέσετε όσο το δυνατόν περισσότερο τις χάλκινες χείμαρροι στα στρώματα ισχύος ή γείωσης. Αυτό δίνει καλή συνδεσιμότητα DC και χαμηλών συχνοτήτων.
2.3 Στοίβαξη πλακετών έξι επιπέδων
Για σχέδια με υψηλή πυκνότητα τσιπ και υψηλή ταχύτητα ρολογιού, εξετάστε το ενδεχόμενο πλακέτες έξι στρώσεων. Δύο συνιστώμενες συστοιχίες έξι στρωμάτων είναι οι ακόλουθες:
Επιλογή 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
Με αυτό το σχήμα, έχετε καλή ακεραιότητα σήματος. Κάθε στρώμα σήματος βρίσκεται δίπλα σε ένα επίπεδο γείωσης. Τα επίπεδα ισχύος και γείωσης είναι ζευγαρωμένα. Μπορείτε να ελέγξετε καλά την αντίσταση κάθε στρώματος δρομολόγησης. Και τα δύο επίπεδα γείωσης μπορούν να απορροφήσουν καλά τη μαγνητική ροή. Με πλήρη επίπεδα ισχύος και γείωσης, κάθε στρώμα σήματος έχει μια καλή διαδρομή επιστροφής.
Επιλογή 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
Αυτή η επιλογή ταιριάζει σε πίνακες όπου η πυκνότητα των συσκευών δεν είναι πολύ υψηλή. Διατηρεί τα πλεονεκτήματα της πρώτης επιλογής. Επίσης, οι άνω και κάτω επιφάνειες γείωσης είναι πιο συνεχείς. Λειτουργούν ως καλές θωρακίσεις.
Σημείωση: Τοποθετήστε το επίπεδο ισχύος κοντά στην πλευρά που δεν είναι η κύρια πλευρά του εξαρτήματος. Το κάτω επίπεδο θα είναι τότε πιο πλήρες και η απόδοση ΗΜΙ θα είναι καλύτερη από την πρώτη επιλογή.
Σύνοψη για πλακέτες έξι στρώσεων:
Διατηρήστε την απόσταση μεταξύ των επιπέδων ισχύος και γείωσης όσο το δυνατόν μικρότερη. Έτσι επιτυγχάνεται καλή σύζευξη ισχύος-γείωσης. Σε μια πλακέτα πάχους 62 mil, η απόσταση στρώσεων είναι μικρότερη από τις επιλογές τεσσάρων στρώσεων. Παρόλα αυτά, δεν είναι εύκολο να κάνετε την κύρια απόσταση ισχύος και γείωσης πολύ μικρή. Σε σύγκριση με τη δεύτερη επιλογή, η πρώτη επιλογή κοστίζει λιγότερο. Έτσι, συχνά επιλέγουμε την πρώτη μορφή για πρακτική στοίβαξη. Ακολουθήστε τον κανόνα 20H και τον κανόνα του στρώματος καθρέφτη στο σχεδιασμό.
2.4 Στοίβαξη πλακετών οκτώ επιπέδων
Οι πλακέτες οκτώ στρώσεων έχουν πολλές πιθανές στοιβάξεις. Ορισμένες είναι χειρότερες για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία λόγω της κακής απορρόφησης και της μεγάλης αντίστασης ισχύος. Εδώ περιγράφονται τρεις μορφές:
Τύπος Α (όχι καλό)
Αυτή η μορφή έχει χαμηλότερη ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση και μεγαλύτερη αντίσταση ισχύος. Η σειρά των στρωμάτων της είναι:
- Σήμα 1: πλευρά εξαρτήματος, στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας
- Σήμα 2: εσωτερικό στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας, καλό στρώμα δρομολόγησης (κατεύθυνση Χ)
- Γήπεδο
- Σήμα 3: στρώμα δρομολόγησης γραμμής, καλό στρώμα δρομολόγησης (κατεύθυνση Y)
- Σήμα 4: στρώμα δρομολόγησης γραμμής
- Ισχύς
- Σήμα 5: εσωτερικό στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας
- Σήμα 6: στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας
Αυτή η μορφή δεν αποτελεί καλή επιλογή, καθώς δεν παρέχει συνεπείς αναφορές για όλα τα επίπεδα σήματος. Η σύνθετη αντίσταση ισχύος είναι υψηλή και ο έλεγχος των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) είναι ανεπαρκής.
Τύπος Β (παραλλαγή με πρόσθετα επίπεδα αναφοράς)
Πρόκειται για μια παραλλαγή ενός τρίτου τύπου. Με την προσθήκη στρωμάτων αναφοράς επιτυγχάνεται καλύτερη απόδοση ως προς τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI). Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση κάθε στρώματος σήματος μπορεί να ελεγχθεί αποτελεσματικά. Μια πιθανή σειρά είναι:
- Σήμα 1: πλευρά εξαρτημάτων, στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας, στρώμα καλής δρομολόγησης
- Εδάφος: καλή απορρόφηση των κυμάτων
- Σήμα 2: στρώμα δρομολόγησης stripline, καλό στρώμα δρομολόγησης
- Ισχύς: αυτό το επίπεδο ισχύος και το έδαφος που βρίσκεται από κάτω του παρέχουν καλή ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση
- Έδαφος: επίπεδο εδάφους
- Σήμα 3: στρώμα δρομολόγησης stripline, καλό στρώμα δρομολόγησης
- Ισχύς: αυτό το επίπεδο ισχύος έχει μεγαλύτερη σύνθετη αντίσταση ισχύος
- Σήμα 4: στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας, καλό στρώμα δρομολόγησης
Τύπος C (βέλτιστη πρακτική)
Αυτή είναι η βέλτιστη διάταξη στρωμάτων. Χρησιμοποιεί πολλαπλά επίπεδα αναφοράς γείωσης. Αυτό εξασφαλίζει πολύ καλή ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση. Μια συνήθης σειρά είναι:
- Σήμα 1: πλευρά εξαρτημάτων, στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας, στρώμα καλής δρομολόγησης
- Εδάφος: καλή απορρόφηση των κυμάτων
- Σήμα 2: στρώμα δρομολόγησης stripline, καλό στρώμα δρομολόγησης
- Ισχύς: αυτό το επίπεδο ισχύος και το έδαφος που βρίσκεται από κάτω του αποτελούν εξαιρετικό μέσο ηλεκτρομαγνητικής απορρόφησης
- Έδαφος: επίπεδο εδάφους
- Σήμα 3: στρώμα δρομολόγησης stripline, καλό στρώμα δρομολόγησης
- Εδάφος: δεύτερο επίπεδο εδάφους, καλή απορρόφηση κυμάτων
- Σήμα 4: στρώμα δρομολόγησης μικροταινίας, καλό στρώμα δρομολόγησης
3. Πώς να επιλέξετε τον αριθμό στρωμάτων και τη διάταξη στρωμάτων
Επιλέξτε τον αριθμό των στρωμάτων και τη μορφή στοίβαξης λαμβάνοντας υπόψη πολλούς παράγοντες. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται: ο αριθμός των δικτύων σημάτων στην πλακέτα, η πυκνότητα των εξαρτημάτων, η πυκνότητα των ακίδων, οι συχνότητες των σημάτων και το μέγεθος της πλακέτας. Λάβετε υπόψη όλα αυτά τα στοιχεία συνολικά.
Σημειώσεις σχεδιασμού:
- Εάν υπάρχουν πολλά δίκτυα σημάτων, σχεδιάστε το κύκλωμα με περισσότερα στρώματα.
- Εάν η πυκνότητα των εξαρτημάτων είναι υψηλή, επιλέξτε περισσότερα στρώματα.
- Εάν η πυκνότητα των ακίδων είναι υψηλή, επιλέξτε περισσότερα στρώματα.
- Εάν η συχνότητα του σήματος είναι υψηλή, επιλέξτε περισσότερες στρώσεις.
- Για να επιτύχετε καλή απόδοση όσον αφορά τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI), φροντίστε κάθε στρώμα σήματος να έχει το δικό του στρώμα αναφοράς. Το στρώμα αναφοράς μπορεί να είναι η γείωση ή η τροφοδοσία. Αυτό συμβάλλει στον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης και εξασφαλίζει στενές διαδρομές επιστροφής. Οι στενές διαδρομές επιστροφής μειώνουν την επιφάνεια βρόχου. Η μείωση της επιφάνειας βρόχου μειώνει την ακτινοβολία και την ευαισθησία στις παρεμβολές.
4. Απλοί κανόνες που πρέπει να τηρούνται σε όλα τα σχέδια
- Ορίστε για κάθε στρώμα δρομολόγησης ένα επίπεδο αναφοράς που βρίσκεται κοντά. Αυτό συμβάλλει στον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης και του ρεύματος επιστροφής.
- Όποτε είναι δυνατό, συνδέστε τα επίπεδα τροφοδοσίας και γείωσης. Διατηρήστε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Αυτό αυξάνει την χωρητικότητα των επιπέδων. Η υψηλή χωρητικότητα των επιπέδων μειώνει τον θόρυβο.
- Τοποθετήστε το επίπεδο γείωσης δίπλα στο στρώμα σήματος που έχει πυκνή δρομολόγηση. Αυτό συμβάλλει στην απορρόφηση και την παρεμπόδιση της ακτινοβολίας.
- Χρησιμοποιήστε ορθογώνια διαδρομολόγηση στα παρακείμενα στρώματα σημάτων για να μειώσετε τη διασταυρούμενη παρεμβολή.
- Χρησιμοποιήστε φαρδιά ίχνη για τη δρομολόγηση ρεύματος σε μικτά στρώματα, ώστε να διατηρείται χαμηλή η σύνθετη αντίσταση της διαδρομής ρεύματος.
- Ο χαλκός των διασυνδέσεων καλύπτει τα επίπεδα τροφοδοσίας και γείωσης, ώστε να εξασφαλίζονται ισχυρές συνδέσεις συνεχούς ρεύματος και χαμηλών συχνοτήτων.
- Ακολουθήστε τον κανόνα των 20H κατά τον καθορισμό της επιφάνειας της πλακέτας και λάβετε υπόψη τους κανόνες σχεδιασμού του στρώματος καθρέφτη.
- Σε σχεδιασμούς υψηλής ταχύτητας ή υψηλής πυκνότητας, προτιμήστε πλακέτες έξι ή οκτώ στρωμάτων, ώστε κάθε στρώμα σήματος να έχει ένα κοντινό σημείο αναφοράς.
- Για αναλογικά σχέδια χαμηλής συχνότητας, οι πλακέτες ενός ή δύο στρωμάτων μπορούν να λειτουργήσουν, αρκεί να διατηρείτε μικρές τις περιοχές βρόχου και να τοποθετείτε τη γείωση κοντά στα σήματα.
- Όποτε είναι δυνατό, φροντίστε να βρίσκονται κοντά τα επίπεδα εσωτερικής τροφοδοσίας και γείωσης. Αυτό βελτιώνει την απομόνωση και μειώνει τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI).
5. Τελική παρατήρηση
Η επιλογή της διάταξης στρωμάτων αποτελεί μια συστημική απόφαση. Εξετάστε τα δίκτυα, τη διάταξη, την τοποθέτηση των εξαρτημάτων, τον αριθμό των ακίδων και τη συχνότητα συνολικά. Για καλύτερο έλεγχο των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) και του σήματος, παρέχετε σε κάθε στρώμα σήματος μια σαφή, κοντινή αναφορά. Χρησιμοποιήστε ζεύγη επιπέδων γείωσης και στενή απόσταση μεταξύ τους, όπου είναι δυνατόν. Χρησιμοποιήστε πολλαπλά επίπεδα γείωσης για βέλτιστη ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση σε πλακέτες πολλών στρωμάτων. Κατά το σχεδιασμό, εξισορροπήστε το κόστος και την απόδοση. Ακολουθήστε τους απλούς κανόνες που αναφέρονται παραπάνω και επιλέξτε τη διάταξη στρωμάτων που ανταποκρίνεται στις ανάγκες της πλακέτας σας.
