1. Ορισμός και πότε να προσθέσετε επίπεδα
Για το πολυστρωματικές πλακέτες υψηλής ταχύτητας, ένας βασικός σχεδιασμός δύο επιπέδων συχνά δεν μπορεί να καλύψει τις ανάγκες για ποιότητα σήματος και πυκνότητα δρομολόγησης. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να προσθέσετε στρώματα στη στοίβα του PCB για να καλύψετε τις ανάγκες του σχεδιασμού.
2. Θετικά (σήμα) επίπεδα και αρνητικά (ανεστραμμένα) επίπεδα
Ένα θετικό επίπεδο είναι το συνηθισμένο επίπεδο σήματος που χρησιμοποιείται για τη δρομολόγηση. Τα ορατά μέρη είναι χάλκινα ίχνη. Σε ένα θετικό επίπεδο μπορείτε να κάνετε μεγάλες χύτευση χαλκού και να γεμίσετε περιοχές με χαλκό, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας όρους όπως “ίχνος” ή “χαλκός” για να περιγράψετε τις περιοχές χαλκού. Βλέπε Εικόνα 8-32.
Ένα αρνητικό επίπεδο είναι το αντίθετο. Με ένα αρνητικό επίπεδο, η προεπιλογή είναι να ρίχνετε χαλκό σε όλο το στρώμα. Οι περιοχές δρομολόγησης είναι οι αποκοπές. Δεν υπάρχει χαλκός στις γραμμές δρομολόγησης. Αυτό που κάνετε είναι να χαράξετε το χαλκό και στη συνέχεια να ορίσετε τα δίκτυα για τις χαραγμένες περιοχές. Δείτε την Εικόνα 8-33.
3. Διαχωρισμός των εσωτερικών επιπέδων ισχύος/γείωσης
Στις παλαιότερες εκδόσεις Protel, τα εσωτερικά επίπεδα ισχύος χωρίζονταν με τη λειτουργία “split”. Στις τρέχουσες εκδόσεις, όπως η Altium Designer 19, χωρίζετε σχεδιάζοντας “γραμμές” και χρησιμοποιείτε το πλήκτρο “PL” για να τις τοποθετήσετε. Οι γραμμές διαχωρισμού δεν πρέπει να είναι πολύ λεπτές. Μπορείτε να επιλέξετε 15 mil ή μεγαλύτερες. Όταν ρίχνετε χαλκό μετά τη διάσπαση, σχεδιάζετε ένα κλειστό πολύγωνο με το εργαλείο “γραμμής”, στη συνέχεια κάνετε διπλό κλικ μέσα στο πολύγωνο και ορίζετε το δίχτυ για την έκχυση του χαλκού. Βλέπε Εικόνα 8-34.
Τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά επίπεδα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εσωτερικά στρώματα ισχύος ή γείωσης. Μπορείτε επίσης να επιτύχετε ένα θετικό εσωτερικό επίπεδο με δρομολόγηση και χύτευση χαλκού. Το πλεονέκτημα ενός αρνητικού επιπέδου είναι ότι ξεκινάτε με μια μεγάλη περιοχή χύτευσης χαλκού από προεπιλογή. Στη συνέχεια, προσθέτετε vias ή αλλάζετε τα μεγέθη χύτευσης χωρίς να ξαναχύνετε ολόκληρο το στρώμα. Αυτό εξοικονομεί χρόνο στον επανυπολογισμό της χύτευσης χαλκού. Όταν τα εσωτερικά στρώματα χρησιμοποιούνται ως επίπεδα ισχύος και γείωσης (που ονομάζονται επίσης επίπεδο γείωσης ή επίπεδο επιστροφής), τα στρώματα είναι ως επί το πλείστον μεγάλες χύτευσης χαλκού. Το πλεονέκτημα της χρήσης αρνητικών επιπέδων είναι σαφές εδώ.
4. Κατανόηση του PCB Stackup
Καθώς τα κυκλώματα υψηλών ταχυτήτων γίνονται όλο και πιο συνηθισμένα, η πολυπλοκότητα των PCB αυξάνεται. Για την αποφυγή ηλεκτρικών παρεμβολών, τα στρώματα σήματος και τα στρώματα ισχύος πρέπει να διαχωρίζονται. Αυτό οδηγεί στο σχεδιασμό πολυστρωματικών PCB. Πριν από το σχεδιασμό ενός πολυστρωματικού PCB, ο σχεδιαστής πρέπει πρώτα να αποφασίσει τη δομή της πλακέτας με βάση το μέγεθος του κυκλώματος, τις διαστάσεις της πλακέτας και τις απαιτήσεις ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC). Με άλλα λόγια, να αποφασίσει αν θα χρησιμοποιήσει πλακέτα 4 στρώσεων, 6 στρώσεων ή περισσότερων στρώσεων. Αυτή είναι η βασική ιδέα του σχεδιασμού πολυστρωματικής πλακέτας.
Αφού αποφασιστεί ο αριθμός των στρωμάτων, το επόμενο βήμα είναι η τοποθέτηση των εσωτερικών στρωμάτων ισχύος και γείωσης και η απόφαση για τον τρόπο κατανομής των διαφόρων τύπων σημάτων σε αυτά τα στρώματα. Αυτή η επιλογή είναι η επιλογή στοίβαξης. Η δομή της στοίβαξης είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τις επιδόσεις της PCB EMC. Ένας καλός σχεδιασμός στοίβαξης μπορεί να μειώσει σημαντικά τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (ΗΜΙ) και τη διασταύρωση..
Τα περισσότερα στρώματα δεν είναι πάντα καλύτερα, και τα λιγότερα στρώματα δεν είναι πάντα καλύτερα. Η επιλογή μιας πολυστρωματικής στοίβαξης απαιτεί τη στάθμιση πολλών παραγόντων. Από την άποψη της δρομολόγησης, τα περισσότερα στρώματα διευκολύνουν τη δρομολόγηση. Αλλά αυξάνονται επίσης το κόστος κατασκευής και η δυσκολία. Για το κατασκευαστές, το αν η στοίβαξη είναι συμμετρική είναι ένα σημαντικό ζήτημα κατά την κατασκευή. Έτσι, ο αριθμός των στρώσεων πρέπει να εξισορροπεί όλες τις ανάγκες.
Οι έμπειροι σχεδιαστές κάνουν συνήθως μια προ-τοποθέτηση των εξαρτημάτων. Στη συνέχεια, αναλύουν τα σημεία συμφόρησης δρομολόγησης. Υπολογίζουν τις ειδικές ανάγκες δρομολόγησης, όπως τα διαφορικά ζεύγη και τα ευαίσθητα δίκτυα. Από αυτό, αποφασίζουν πόσα στρώματα σήματος χρειάζονται. Στη συνέχεια αποφασίζουν τον αριθμό των εσωτερικών στρωμάτων ισχύος/γείωσης με βάση τους τύπους ισχύος, τις ανάγκες απομόνωσης και την καταστολή παρεμβολών. Μετά από αυτό, ο συνολικός αριθμός των στρώσεων της πλακέτας είναι ουσιαστικά καθορισμένος.
5. Συνήθεις συστοιχίες PCB
Αφού καθοριστεί ο αριθμός των στρωμάτων, η επόμενη εργασία είναι να οργανώσετε τη σειρά αυτών των στρωμάτων. Στα σχήματα 8-35 και 8-36 παρουσιάζονται συνήθεις διατάξεις στοίβαξης για πλακέτες με 4 και 6 στρώματα.
6. Ανάλυση Stackup
Πώς να στοιβάζετε; Ποια στοίβαξη είναι καλύτερη; Ακολουθήστε αυτούς τους βασικούς κανόνες:
Κάντε την πλευρά του εξαρτήματος και την πλευρά της συγκόλλησης σε πλήρη επίπεδα γείωσης, όταν είναι δυνατόν (αυτό δίνει θωράκιση).
Αποφύγετε όσο το δυνατόν περισσότερο τα παρακείμενα παράλληλα στρώματα δρομολόγησης.
Τοποθετήστε όλα τα στρώματα σήματος δίπλα σε ένα επίπεδο γείωσης όταν είναι δυνατόν.
Τοποθετήστε τα κρίσιμα σήματα δίπλα σε ένα στρώμα γείωσης και αποφύγετε τη διέλευση από διαχωρισμένες περιοχές.
Εφαρμόστε αυτούς τους κανόνες στα κοινά παραδείγματα στοίβαξης που παρουσιάζονται στα Σχήματα 8-35 και 8-36. Η ανάλυση έχει ως εξής.
(1) Ο πίνακας 8-1 συγκρίνει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τριών κοινών σχημάτων στοίβαξης πλακετών 4 στρώσεων.
| Σχέδιο | Διάγραμμα σχήματος (ASCII Art) | Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|---|---|---|---|
| Σχήμα 1 | ┌─────────────────────┐ │ PWR01 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Γείωση) │ └─────────────────────┘ | Αυτό το σύστημα έχει σχεδιαστεί κυρίως για να επιτύχει ένα αποτέλεσμα θωράκισης ενός στρώματος, με το επίπεδο ισχύος και το επίπεδο γείωσης να τοποθετούνται στο πάνω και στο κάτω στρώμα αντίστοιχα. | (1) Τα επίπεδα τροφοδοσίας και γείωσης απέχουν πολύ μεταξύ τους, οδηγώντας σε υπερβολική σύνθετη αντίσταση στο επίπεδο τροφοδοσίας-(2) τα επίπεδα τροφοδοσίας και γείωσης είναι ιδιαίτερα ατελή λόγω της επιρροής των μαξιλαριών των εξαρτημάτων και άλλων παραγόντων-(3) το ατελές επίπεδο αναφοράς προκαλεί ασυνεχείς διαδρομές σήματος, καθιστώντας δύσκολη την επίτευξη του αναμενόμενου αποτελέσματος θωράκισης. |
| Σχήμα 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Σήμα) │ └─────────────────────┘ | Ένα επίπεδο γείωσης τοποθετείται κάτω από την πλευρά του εξαρτήματος, καθιστώντας το κατάλληλο για σενάρια όπου τα κύρια εξαρτήματα τοποθετούνται στο επάνω στρώμα ή τα βασικά σήματα δρομολογούνται στο επάνω στρώμα. | / |
| Σχήμα 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ PWR02 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Σήμα) │ └─────────────────────┘ | Παρόμοια με το σχήμα 2, είναι κατάλληλο για σενάρια όπου τα κύρια εξαρτήματα τοποθετούνται στο κάτω στρώμα ή τα βασικά σήματα δρομολογούνται στο κάτω στρώμα. | / |
(2) Ο πίνακας 8-2 συγκρίνει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τεσσάρων κοινών σχημάτων στοίβαξης πλακετών 6 στρώσεων.
| Σχέδιο | Διάγραμμα σχήματος (ASCII Art) | Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|---|---|---|---|
| Σχήμα 1 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Σήμα) │ └─────────────────────┘ | Υιοθετεί 4 στρώματα σήματος και δύο εσωτερικά στρώματα ισχύος/γείωσης, παρέχοντας περισσότερα στρώματα σήματος για τη διευκόλυνση της δρομολόγησης μεταξύ των εξαρτημάτων. | (1) Το επίπεδο ισχύος και το επίπεδο γείωσης απέχουν πολύ μεταξύ τους, με αποτέλεσμα ανεπαρκή σύζευξη (2) Τα στρώματα σήματος SIN03 και SIN04 δρομολογούνται κυρίως σε επιφανειακά στρώματα, οδηγώντας σε ανεπαρκή απομόνωση σήματος και διασταυρούμενη μετάδοση, με αποτέλεσμα να απαιτείται κλιμακωτή δρομολόγηση. |
| Σχήμα 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ PWR04 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ SIN05 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Σήμα) │ └─────────────────────┘ | Το επίπεδο ισχύος και το επίπεδο γείωσης είναι πλήρως συζευγμένα. | Τα γειτονικά στρώματα των επιφανειακών στρωμάτων σήματος είναι επίσης στρώματα σήματος, με αποτέλεσμα κακή απομόνωση σήματος και διασταύρωση. |
| Σχήμα 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Σήμα) │ └─────────────────────┘ | (1) Το επίπεδο ισχύος και το επίπεδο γείωσης είναι πλήρως συζευγμένα, (2) κάθε στρώμα σήματος γειτνιάζει άμεσα με το εσωτερικό επίπεδο ισχύος/γείωσης, παρέχοντας αποτελεσματική απομόνωση από άλλα στρώματα σήματος και μειώνοντας τη διασταύρωση, (3) το στρώμα σήματος SIN03 γειτνιάζει με δύο εσωτερικά επίπεδα (GND02 και PWR05), τα οποία μπορούν να προστατεύσουν αποτελεσματικά τις εξωτερικές παρεμβολές στο SIN03 και τη διασταύρωση από το SIN03 σε άλλα στρώματα. | / |
| Σχήμα 4 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Σήμα) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Γείωση) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Ισχύς) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Σήμα) │ └─────────────────────┘ | (1) Το επίπεδο τροφοδοσίας και το επίπεδο γείωσης είναι πλήρως συζευγμένα, (2) κάθε στρώμα σήματος γειτνιάζει άμεσα με το εσωτερικό επίπεδο τροφοδοσίας/γείωσης, παρέχοντας αποτελεσματική απομόνωση από άλλα στρώματα σήματος και μειώνοντας τη διασταύρωση. | / |
Από τη σύγκριση των συστημάτων 1 έως 4, όταν η απόδοση του σήματος είναι η πρώτη προτεραιότητα, τα συστήματα 3 και 4 είναι σαφώς καλύτερα από τα δύο πρώτα συστήματα. Όμως, στον πραγματικό σχεδιασμό προϊόντων, το κόστος αποτελεί μείζον ζήτημα. Με υψηλή πυκνότητα δρομολόγησης, οι σχεδιαστές συχνά επιλέγουν το σχήμα 1 για στοίβαξη για εξοικονόμηση κόστους. Κατά τη δρομολόγηση στο σχήμα 1, δώστε ιδιαίτερη προσοχή στις διασταυρώσεις μεταξύ δύο γειτονικών επιπέδων σήματος και προσπαθήστε να μειώσετε όσο το δυνατόν περισσότερο τη διασταύρωση.
(3) Για κοινές πλακέτες 8 στρώσεων, οι συνιστώμενες επιλογές στοίβαξης παρουσιάζονται στο Σχήμα 8-37. Προτιμήστε την επιλογή 1 ή την επιλογή 2. Η επιλογή 3 είναι χρησιμοποιήσιμη.
7. Προσθήκη και επεξεργασία επιπέδων
Αφού επιβεβαιώσετε το σχέδιο στοίβαξης, πώς προσθέτετε στρώματα στο Altium Designer; Ακολουθεί ένα απλό παράδειγμα.
Εκτελέστε την εντολή μενού “Design → Layer Stack Manager” ή πατήστε το πλήκτρο άμεσης πρόσβασης “DK” για να ανοίξετε το Layer Stack Manager. Ορίστε τις σχετικές παραμέτρους όπως φαίνεται στην εικόνα 8-38.
Κάντε δεξί κλικ και επιλέξτε “Insert layer above” ή “Insert layer below” για να προσθέσετε μια στρώση. Μπορείτε να προσθέσετε ένα θετικό ή ένα αρνητικό επίπεδο. Χρησιμοποιήστε την επιλογή “Μετακίνηση επιπέδου προς τα πάνω” ή “Μετακίνηση επιπέδου προς τα κάτω” για να ρυθμίσετε τη σειρά των επιπέδων που προστίθενται.
Κάντε διπλό κλικ στο όνομα του στρώματος για να το μετονομάσετε. Μπορείτε να ονομάσετε τις στρώσεις TOP, GND02, SIN03, SIN04, PWR05, BOTTOM, κ.λπ. Το Altium Designer 19 υποστηρίζει αυτή την ονομασία “γράμμα + αριθμός στρώματος”. Αυτό διευκολύνει την ανάγνωση και την αναγνώριση.
Ρυθμίστε το πάχος της σανίδας και του στρώματος σύμφωνα με τη στοίβαξη.
Για να ικανοποιήσετε την απαίτηση 20H του σχεδιασμού, μπορείτε να ορίσετε το ποσό απομάκρυνσης του αρνητικού επιπέδου (εσωτερική μετατόπιση). [Σημείωση: το αρχικό κείμενο χρησιμοποιεί το “20H”. Ο μεταφραστής διατηρεί αυτόν τον όρο όπως γράφτηκε].
Κάντε κλικ στο “OK” για να ολοκληρώσετε τις ρυθμίσεις στοίβαξης. Ένα παράδειγμα αποτελέσματος στοίβαξης πλακέτας 4 στρώσεων παρουσιάζεται στην Εικόνα 8-39.
8. Σύσταση
Προτείνεται να αντιμετωπίζονται τα στρώματα σήματος ως θετικά επίπεδα και τα στρώματα ισχύος και γείωσης ως αρνητικά επίπεδα. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να μειώσει σημαντικά το μέγεθος των δεδομένων του αρχείου και να επιταχύνει τις εργασίες σχεδιασμού.
