۱. اصول بنیادین طراحی استکآپ
بهطور کلی، طراحی استکآپ باید از دو قانون پیروی کند:
- هر لایه مسیریابی باید یک لایه مرجع نزدیک داشته باشد. لایه مرجع میتواند یک پلن تغذیه یا یک پلن زمین باشد.
- صفحه تغذیه اصلی و صفحه زمین را تا حد امکان به هم نزدیک نگه دارید. این باعث افزایش ظرفیت کوپلینگ میشود.
در زیر نمونههای استکآپ از بردهای دو لایه تا هشت لایه آورده شده است.
۲. طرحهای استکآپ بر اساس تعداد لایههای PCB
۲.۱ چیدمانهای برد تکلایه و دولایه
برای بردهای دو لایه، تعداد لایهها کم است. مشکلات استکآپ به همان شکلی که در بردهای چندلایه وجود دارد، در اینجا وجود ندارد. کنترل تابش EMI باید از طریق مسیریابی و چیدمان انجام شود.
یکلایه و بردهای دو لایه مشکلات روزافزون EMC دارند. علت اصلی این است که مساحت حلقههای سیگنال میتواند بزرگ شود. حلقههای بزرگ نه تنها تابش قوی ایجاد میکنند، بلکه مدار را نسبت به نویز خارجی حساس میسازند. برای بهبود EMC، سادهترین گام کاهش مساحت حلقه سیگنالهای کلیدی است.
سیگنالهای کلیدی: از دیدگاه EMC، سیگنالهای کلیدی آنهایی هستند که تابش قوی ایجاد میکنند و آنهایی که به نویز خارجی حساساند. سیگنالهایی که تابش قوی ایجاد میکنند معمولاً سیگنالهای دورهای هستند. اینها شامل کلاکها و سیگنالهای آدرس با مرتبه پایین میشوند. سیگنالهایی که به نویز حساساند معمولاً سیگنالهای آنالوگ با سطح پایین هستند.
بردهای تکلایه و دولایه معمولاً در طراحیهای آنالوگ با فرکانس پایین زیر ۱۰ کیلوهرتز استفاده میشوند. از این قواعد پایه استفاده کنید:
- هرگاه امکان دارد، مسیرها را بهصورت شعاعی روی همان لایه قرار دهید. سعی کنید مجموع طول مسیرها را کم نگه دارید.
- ردههای تغذیه و زمین را نزدیک به هم نگه دارید. یک ردیف زمین را در کنار یک سیگنال کلیدی قرار دهید. آن ردیف زمین را تا حد امکان به سیگنال نزدیک کنید. این کار یک ناحیه حلقهای کوچک ایجاد میکند. ناحیه حلقهای کوچک تابش حالت مشترک را کاهش داده و حساسیت سیگنال به نویز خارجی را کم میکند. وقتی یک ردیف زمین را در کنار سیگنال قرار میدهید، حلقهی کوچک جریان بازگشت سیگنال را جذب میکند. سپس جریان سیگنال از این حلقهی کوچک عبور میکند و از مسیرهای زمین دیگر استفاده نمیکند.
- برای یک برد دو رو، یک ردیابی زمین پهن را در سمت دیگر برد درست زیر ردیابی سیگنال قرار دهید. این ردیابی زمین را تا حد امکان پهن کنید. این کار ناحیه حلقهای ایجاد میکند که برابر با ضخامت برد ضربدر طول سیگنال است.
۲.۲ چیدمانهای برد چهارلایه
انباشتهای چهارلایهٔ رایج عبارتند از:
- SIG – GND (یا PWR) – PWR (یا GND) – SIG
- GND – SIG (یا PWR) – SIG (یا PWR) – GND
برای هر دو چینش لایهها، در ضخامت استاندارد برد ۱.۶ میلیمتر (۶۲ میل) مشکل بالقوهای وجود دارد. فاصله بین لایهها زیاد میشود. فاصله زیاد کنترل امپدانس، کوپلینگ لایهها و شیلدینگ را دشوار میکند. بهویژه اگر فاصله بین پلههای تغذیه و زمین زیاد باشد، ظرفیت برد کاهش مییابد. ظرفیت کم برد برای فیلتر کردن نویز مناسب نیست.
برای اولین استکآپ (SIG – GND/PWR – PWR/GND – SIG)
مردم اغلب از آن استفاده میکنند وقتی تراشههای زیادی روی برد وجود دارد. این چیدمان تراکم لایهها یکپارچگی سیگنال خوبی فراهم میکند. عملکرد EMI چندان خوب نیست. باید با مسیریابی دقیق و سایر جزئیات، EMI را کنترل کنید.
نکات کلیدی:
- پلن زمین را در کنار لایه سیگنال که چیدمان مسیریابی آن بیشترین تراکم را دارد قرار دهید. این کار به جذب و کاهش تشعشع کمک میکند.
- همچنین مساحت برد را افزایش دهید. از قانون 20H پیروی کنید.
برای استکآپ دوم (GND – SIG/PWR – SIG/PWR – GND)
مردم از آن زمانی استفاده میکنند که چگالی تراشه کم است و فضای کافی برای ریختن مس تغذیه روی سطح تراشه وجود دارد. در این طراحی، لایههای بیرونی پلههای زمین هستند و دو لایه داخلی به سیگنال یا تغذیه اختصاص دارند. تغذیه را روی لایه سیگنال با ردهای پهن مسیریابی کنید. ردهای پهن امپدانس مسیر تغذیه و امپدانس سیگنال میکرواستریپ را پایین میآورند. لایههای زمین بیرونی میتوانند سیگنالهای داخلی را از تابش محافظت کنند. از دیدگاه کنترل EMI، این بهترین ساختار PCB چهار لایه موجود در حال حاضر است.
نکات کلیدی:
- فاصله بین دو لایه داخلی سیگنال ترکیبی و تغذیه را بزرگتر نگه دارید.
- جهت جلوگیری از تداخل، مسیرهای مسیریابی را در این لایهها عمود بر هم قرار دهید.
- منطقه برد کنترل و رعایت قانون ۲۰H.
- اگر باید امپدانس مسیریابی را کنترل کنید، ردهای مسی را با دقت زیر جزایر مسی تغذیه و زمین قرار دهید.
- همچنین، تا حد امکان تلاش کنید ریختهگریهای مسی روی لایههای تغذیه یا زمین را به هم متصل کنید. این کار اتصال خوبی در جریان مستقیم و فرکانسهای پایین فراهم میکند.
۲.۳ چیدمان شش لایه برد
برای طراحیهایی با چگالی تراشه بالا و سرعت کلاک بالا، بردهای ششلایه را در نظر بگیرید. دو ساختار لایهبندی ششلایه پیشنهادی به شرح زیر است:
گزینه ۱: سیگنال – زمین – سیگنال – تغذیه – زمین – سیگنال
با این طرح، یکپارچگی سیگنال خوبی بهدست میآورید. هر لایه سیگنال در کنار یک صفحه زمین قرار دارد. صفحات تغذیه و زمین جفت هستند. میتوانید امپدانس هر لایه مسیریابی را بهخوبی کنترل کنید. هر دو صفحه زمین میتوانند شار مغناطیسی را بهخوبی جذب کنند. با صفحات تغذیه و زمین کامل، هر لایه سیگنال مسیر بازگشت مناسبی دارد.
گزینه ۲: GND – SIG – GND – PWR – SIG – GND
این گزینه برای بردهایی مناسب است که چگالی قطعات در آنها چندان بالا نیست. این گزینه مزایای گزینه اول را حفظ میکند. همچنین، لایههای زمین بالایی و پایینی پیوستهتر هستند و بهعنوان سپرهای خوبی عمل میکنند.
توجه: صفحهٔ تغذیه را نزدیک به سمتی قرار دهید که سمت قطعهٔ اصلی نیست. در این صورت صفحهٔ زیرین کاملتر خواهد بود و عملکرد EMI بهتر از گزینهٔ اول خواهد بود.
خلاصه برای بردهای ششلایه:
فاصله بین پلههای تغذیه و زمین را تا حد امکان کم نگه دارید. این امر کوپلینگ خوبی بین تغذیه و زمین ایجاد میکند. در بردی با ضخامت ۶۲ میل، فاصله لایهها کمتر از گزینههای چهارلایه است. با این حال، کوچک کردن فاصله اصلی تغذیه و زمین آسان نیست. در مقایسه با گزینه دوم، گزینه اول هزینه کمتری دارد. بنابراین اغلب برای استکآپ عملی، شکل اول را انتخاب میکنیم. در طراحی از قانون ۲۰H و قانون لایه آینهای پیروی کنید.
۲.۴ چیدمان بردهای هشت لایه
بردهای هشتلایه دارای چینشهای متعددی هستند. برخی از آنها بهدلیل جذب ضعیف و امپدانس بالای توان، برای EMI نامطلوبترند. در اینجا سه شکل توصیف شدهاند:
نوع A (خوب نیست)
این ساختار جذب الکترومغناطیسی کمتری دارد و امپدانس توان بالاتری دارد. ترتیب لایههای آن به شرح زیر است:
- سیگنال ۱: سمت مؤلفه، لایه مسیریابی میکروستریپ
- سیگنال ۲: لایه مسیریابی میکرواستریپ داخلی، لایه مسیریابی خوب (جهت X)
- زمین
- سیگنال ۳: لایه مسیریابی استریپلاین، لایه مسیریابی خوب (جهت Y)
- سیگنال ۴: لایه مسیریابی استریپلاین
- توان
- سیگنال ۵: لایه مسیریابی میکرواستریپ داخلی
- سیگنال ۶: لایه مسیریابی میکروestriپ
این فرم انتخاب مناسبی نیست زیرا برای همه لایههای سیگنال ارجاعات ثابتی ارائه نمیدهد. امپدانس توان بالا است و کنترل EMI ضعیف است.
نوع B (گزینه با لایههای مرجع اضافی)
این یک نوع از نوع سوم است. با افزودن لایههای مرجع، عملکرد EMI آن بهتر میشود. امپدانس مشخصه هر لایه سیگنال را میتوان بهخوبی کنترل کرد. یک ترتیب ممکن عبارت است از:
- سیگنال ۱: سمت کامپوننت، لایه مسیریابی میکروستریپ، لایه مسیریابی خوب
- زمین: جذب خوب موج
- سیگنال ۲: لایه مسیریابی استریپلاین، لایه مسیریابی خوب
- توان: این صفحهٔ توان و زمین زیر آن جذب الکترومغناطیسی خوبی را ایجاد میکنند.
- زمین: صفحه زمینی
- سیگنال ۳: لایه مسیریابی استریپلاین، لایه مسیریابی خوب
- توان: این صفحه توان امپدانس توان بالاتری دارد.
- سیگنال ۴: لایه مسیریابی میکروستریپ، لایه مسیریابی خوب
نوع C (بهترین روش)
این بهترین فرم استکآپ است. این از چندین صفحه مرجع زمین استفاده میکند. این جذب الکترومغناطیسی بسیار خوبی را فراهم میکند. یک ترتیب رایج عبارت است از:
- سیگنال ۱: سمت کامپوننت، لایه مسیریابی میکروستریپ، لایه مسیریابی خوب
- زمین: جذب خوب موج
- سیگنال ۲: لایه مسیریابی استریپلاین، لایه مسیریابی خوب
- توان: این صفحهٔ توان و زمین زیر آن جذب الکترومغناطیسی بسیار خوبی را ایجاد میکنند.
- زمین: صفحه زمینی
- سیگنال ۳: لایه مسیریابی استریپلاین، لایه مسیریابی خوب
- زمین: دومین صفحهٔ زمین، جذب خوب امواج
- سیگنال ۴: لایه مسیریابی میکروستریپ، لایه مسیریابی خوب
۳. چگونه تعداد لایهها و چیدمان آنها را انتخاب کنیم
تعداد لایهها و ساختار چیدمان لایهها را بر اساس عوامل متعددی انتخاب کنید. این عوامل شامل تعداد خطوط سیگنال روی برد، چگالی قطعات، چگالی پینها، فرکانسهای سیگنال و اندازه برد میشوند. همه این موارد را با هم در نظر بگیرید.
یادداشتهای طراحی:
- اگر شبکههای سیگنال زیادی وجود داشته باشد، با لایههای بیشتر طراحی کنید.
- اگر چگالی اجزا بالا باشد، لایههای بیشتری انتخاب کنید.
- اگر چگالی پینها بالا باشد، لایههای بیشتری انتخاب کنید.
- اگر فرکانس سیگنال بالا باشد، لایههای بیشتری انتخاب کنید.
- برای دستیابی به عملکرد خوب EMI، سعی کنید مطمئن شوید هر لایه سیگنال، لایه مرجع خود را دارد. لایه مرجع میتواند زمین یا تغذیه باشد. این کار به کنترل امپدانس کمک کرده و مسیرهای بازگشت فشردهای ایجاد میکند. مسیرهای بازگشت فشرده مساحت حلقه را کاهش میدهند. کاهش مساحت حلقه تابش و حساسیت به تداخل را کم میکند.
۴. قوانین ساده برای رعایت در تمام طرحها
- به هر لایه مسیریابی یک صفحه مرجع نزدیک اختصاص دهید. این کار به کنترل امپدانس و جریان برگشتی کمک میکند.
- هرگاه میتوانید، صفحات تغذیه و زمین را جفت کنید. فاصله بین آنها را کم نگه دارید. این کار ظرفیت صفحات را افزایش میدهد. ظرفیت بالای صفحات نویز را کاهش میدهد.
- پلن زمین را در کنار لایه سیگنال که مسیریابی فشردهای دارد قرار دهید. این کار به جذب و متوقف کردن تابش کمک میکند.
- برای کاهش تداخل، از مسیریابی عمود بر هم در لایههای سیگنال مجاور استفاده کنید.
- برای مسیریابی تغذیه در لایههای ترکیبی از ردهای عریض استفاده کنید تا امپدانس مسیر تغذیه پایین بماند.
- ریختهگری مس رابط بین لایههای تغذیه و زمین برای دستیابی به اتصالات قوی DC و فرکانس پایین.
- هنگام تعیین مساحت برد، از قاعده ۲۰H پیروی کنید و قوانین طراحی لایه آینهای را در نظر داشته باشید.
- در طراحیهای با سرعت بالا یا چیدمان متراکم، از بردهای ششلایه یا هشتلایه استفاده کنید تا هر لایه سیگنال بتواند مرجع نزدیکی داشته باشد.
- برای طراحیهای آنالوگ با فرکانس پایین، بردهای تکلایه یا دولایه میتوانند مناسب باشند، به شرط آنکه نواحی حلقهای را کوچک نگه دارید و زمین را نزدیک سیگنالها قرار دهید.
- هرگاه امکان دارد، پلههای توان داخلی و زمین را نزدیک کنید. این کار جداسازی را بهبود میبخشد و EMI را کاهش میدهد.
۵. یادداشت پایانی
انتخاب استکآپ یک معامله سیستمی است. به نتها، چیدمان، محل قرارگیری قطعات، تعداد پینها و فرکانس همگی بهطور همزمان توجه کنید. برای کنترل بهتر EMI و سیگنال، به هر لایه سیگنال یک مرجع واضح و نزدیک اختصاص دهید. در صورت امکان از پلههای جفت و فاصله کم بین آنها استفاده کنید. برای جذب بهینه میدانهای الکترومغناطیسی در بردهای چندلایه از چندین پلهی زمین استفاده کنید. هنگام طراحی، هزینه و عملکرد را متعادل کنید. قوانین سادهی بالا را دنبال کنید و استکآپی را انتخاب کنید که با نیازهای برد شما مطابقت دارد.
