۱. تعریف و زمان افزودن لایهها
برای بردهای چندلایه با سرعت بالا, یک طراحی پایهٔ دو لایه اغلب نمیتواند نیازهای کیفیت سیگنال و چگالی مسیریابی را برآورده کند. در این صورت باید لایههایی به استکاپ PCB اضافه کنید تا نیازهای طراحی تأمین شود.
۲. سطوح مثبت (سیگنال) و سطوح منفی (معکوس)
پلن مثبت لایه سیگنال معمول مورد استفاده برای مسیریابی است. بخشهای قابل مشاهده آن ردهای مسی هستند. در پلن مثبت میتوانید پرههای مسی بزرگ ایجاد کرده و نواحی را با مس پر کنید؛ برای مثال با استفاده از اصطلاحاتی مانند “رد” یا “مس” برای توصیف نواحی مسی. به شکل 8-32 مراجعه کنید.
یک پلن منفی دقیقاً برعکس است. در یک پلن منفی، بهطور پیشفرض مس در سراسر لایه ریخته میشود. نواحی مسیریابی همان برشها هستند. روی خطوط مسیریابی مسی وجود ندارد. کاری که انجام میدهید این است که مس را برش میدهید و سپس شبکهها را برای نواحی برشخورده تعیین میکنید. به شکل ۸-۳۳ مراجعه کنید.
۳. تفکیک پلانهای تغذیه و زمین داخلی
در نسخههای قدیمیتر Protel، پلنهای تغذیه داخلی با استفاده از تابع “split” تقسیم میشدند. در نسخههای فعلی مانند آلتیم دیزاینر ۱۹, شما با کشیدن “خطوط” تقسیم میکنید و از کلید میانبر “PL” برای قرار دادن آنها استفاده میکنید. خطوط تقسیم نباید خیلی نازک باشند. میتوانید ۱۵ میل یا بزرگتر را انتخاب کنید. وقتی پس از تقسیم، مس ریختهگری میکنید، با ابزار “خط” یک چندضلعی بسته رسم کنید، سپس داخل چندضلعی را دوبار کلیک کرده و شبکه را برای ریختهگری مس تنظیم کنید. به شکل ۸-۳۴ مراجعه کنید.
هم از پلنهای مثبت و هم از پلنهای منفی میتوان برای لایههای داخلی تغذیه یا زمین استفاده کرد. همچنین میتوانید با مسیریابی و ریختن مس، یک پلن داخلی مثبت ایجاد کنید. مزیت پلن منفی این است که بهطور پیشفرض با یک ناحیه بزرگ از ریختهگری مس شروع میکنید. سپس میتوانید ویاس اضافه کنید یا اندازه ریختهگری را بدون نیاز به ریختهگری مجدد کل لایه تغییر دهید. این کار در محاسبه مجدد ریختهگری مس در زمان صرفهجویی میکند. وقتی لایههای داخلی بهعنوان پلنهای تغذیه و زمین (که به آنها پلن زمین یا پلن بازگشت نیز گفته میشود) استفاده میشوند، این لایهها عمدتاً شامل ریختهگریهای بزرگ مس هستند. مزیت استفاده از پلنهای منفی در اینجا کاملاً روشن است.
۴. درک استکآپ PCB
با رایجتر شدن مدارهای پرسرعت، پیچیدگی PCB افزایش مییابد. برای جلوگیری از تداخل الکتریکی، لایههای سیگنال و لایههای تغذیه باید از هم جدا شوند. این امر به طراحی PCB چندلایه منجر میشود. پیش از طراحی یک PCB چندلایه، طراح باید ابتدا ساختار برد را بر اساس اندازه مدار، ابعاد برد و الزامات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) تعیین کند. به عبارت دیگر، باید تصمیم بگیرد که از برد ۴ لایه، ۶ لایه یا تعداد لایههای بیشتری استفاده کند. این یک ایدهٔ اساسی در طراحی بردهای چندلایه است.
پس از تعیین تعداد لایهها، گام بعدی قرار دادن لایههای داخلی تغذیه و زمین و تصمیمگیری درباره نحوه توزیع انواع مختلف سیگنال در این لایهها است. این انتخاب، انتخاب ساختار لایهبندی (استکآپ) است. ساختار استکآپ عاملی مهم است که بر عملکرد EMC برد مدار چاپی تأثیر میگذارد. یک طراحی مناسب لایهبندی میتواند تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و تداخل متقابل را به میزان زیادی کاهش دهد..
لایههای بیشتر همیشه بهتر نیستند و لایههای کمتر هم همیشه بهتر نیستند. انتخاب یک چیدمان چندلایه مستلزم سنجش عوامل متعددی است. از دیدگاه مسیریابی، لایههای بیشتر مسیریابی را آسانتر میکنند. اما هزینه و دشواری تولید نیز افزایش مییابد. برای تولیدکنندگان, آیا چینش لایهها متقارن باشد، یک نگرانی مهم در طول ساخت است. بنابراین تعداد لایهها باید تمام نیازها را متعادل کند.
طراحان باتجربه معمولاً پیشقراردهی قطعات را انجام میدهند. سپس گلوگاههای مسیریابی را تحلیل میکنند. نیازهای خاص مسیریابی مانند جفتهای دیفرانسیل و شبکههای حساس را میشمارند. بر اساس آن تصمیم میگیرند چه تعداد لایه سیگنال لازم است. سپس با توجه به نوع تغذیه، نیازهای جداسازی و سرکوب تداخل، تعداد لایههای داخلی تغذیه و زمین را تعیین میکنند. پس از این، تعداد کل لایههای برد اساساً ثابت میشود.
۵. ساختارهای رایج برد مدار چاپی
پس از تعیین تعداد لایهها، گام بعدی مرتبسازی ترتیب این لایهها است. شکلهای 8-35 و 8-36 چیدمانهای رایج برای بردهای چهارلایه و ششلایه را نشان میدهند.
۶. تحلیل استکآپ
چگونه استک کنیم؟ کدام استکآپ بهتر است؟ این قوانین پایه را دنبال کنید:
در صورت امکان، سطح قطعه و سطح لحیمشده را به صفحات زمین کامل تبدیل کنید (این کار پوشش محافظ ایجاد میکند).
تا حد امکان از لایههای مسیریابی موازی مجاور اجتناب کنید.
در صورت امکان، تمام لایههای سیگنال را در کنار یک پلهی زمین قرار دهید.
سیگنالهای حیاتی را در کنار لایه زمین قرار دهید و از عبور آنها از روی نواحی تقسیمشده خودداری کنید.
این قواعد را بر مثالهای رایج تراکم انباشته که در شکلهای 8-35 و 8-36 نشان داده شدهاند، اعمال کنید. تحلیل به شرح زیر است.
جدول 8-1 مزایا و معایب سه طرح مرسوم چیدمان چهارلایه برد را مقایسه میکند.
| طرح | نمودار طرح (هنر ASCII) | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|
| طرح ۱ | ┌─────────────────────┐ │ PWR01 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (زمین) │ └─────────────────────┘ | این طرح عمدتاً برای دستیابی به اثر شیلدینگ تکلایه طراحی شده است، بهطوریکه پلن تغذیه و پلن زمین بهترتیب در لایههای بالا و پایین قرار میگیرند. | (1) لایههای تغذیه و زمین بیش از حد از هم فاصله دارند که منجر به امپدانس بیش از حد در لایه تغذیه میشود؛ (2) لایههای تغذیه و زمین بهدلیل تأثیر پدهای قطعات و عوامل دیگر بهشدت ناقص هستند؛ (3) لایه مرجع ناقص باعث ایجاد ردیابیهای سیگنال ناپیوسته میشود و دستیابی به اثر شیلدینگ مورد انتظار را دشوار میسازد. |
| طرح ۲ | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (سیگنال) │ └─────────────────────┘ | یک پلهی زمین در زیر سمت قطعه قرار میگیرد که آن را برای سناریوهایی مناسب میسازد که در آنها قطعات اصلی روی لایهی بالا قرار میگیرند یا سیگنالهای کلیدی روی لایهی بالا مسیریابی میشوند. | / |
| طرح ۳ | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ PWR02 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (سیگنال) │ └─────────────────────┘ | مشابه طرح ۲، این برای سناریوهایی مناسب است که در آنها اجزای اصلی در لایهٔ زیرین قرار میگیرند یا سیگنالهای کلیدی در لایهٔ زیرین مسیریابی میشوند. | / |
(2) جدول 8-2 مزایا و معایب چهار طرح مرسوم چیدمان ششلایه برد را مقایسه میکند.
| طرح | نمودار طرح (هنر ASCII) | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|
| طرح ۱ | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (سیگنال) │ └─────────────────────┘ | دارای ۴ لایه سیگنال و دو لایه داخلی تغذیه و زمین است که لایههای سیگنال بیشتری را برای تسهیل مسیریابی بین اجزا فراهم میکند. | (1) صفحهٔ تغذیه و صفحهٔ زمین بیش از حد از هم فاصله دارند که منجر به کوپلینگ ناکافی میشود؛ (2) لایههای سیگنال SIN03 و SIN04 عمدتاً روی لایههای سطحی مسیریابی شدهاند که باعث جداسازی ضعیف سیگنال و تداخل (کراستاک) میشود و نیازمند مسیریابی نامنظم است. |
| طرح ۲ | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (سیگنال) │ ├────────────────────├─────────────────────┤ │ PWR04 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ SIN05 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (سیگنال) │ └─────────────────────┘ | صفحهٔ قدرت و صفحهٔ زمین بهطور کامل به هم کوپل شدهاند. | لایههای مجاور سطح سیگنال نیز لایههای سیگنال هستند که منجر به جداسازی ضعیف سیگنال و تداخل میشود. |
| طرح ۳ | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (سیگنال) │ └─────────────────────┘ | (1) صفحهٔ تغذیه و صفحهٔ زمین کاملاً به هم متصل هستند؛ (2) هر لایهٔ سیگنال مستقیماً مجاور صفحهٔ داخلی تغذیه/زمین قرار دارد که جداسازی مؤثری از سایر لایههای سیگنال فراهم میکند و تداخل را کاهش میدهد؛ (3) لایهٔ سیگنال SIN03 به دو صفحهٔ داخلی (GND02 و PWR05) مجاور است که میتواند بهطور مؤثر از تداخل خارجی روی SIN03 و تداخل متقابل از SIN03 به سایر لایهها جلوگیری کند. | / |
| طرح ۴ | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (سیگنال) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (زمین) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (توان) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (سیگنال) │ └─────────────────────┘ | (۱) صفحهٔ تغذیه و صفحهٔ زمین کاملاً به هم متصل هستند؛ (۲) هر لایهٔ سیگنال مستقیماً مجاور صفحهٔ داخلی تغذیه/زمین قرار دارد که جداسازی مؤثری از سایر لایههای سیگنال فراهم میکند و تداخل را کاهش میدهد. | / |
با مقایسه طرحهای ۱ تا ۴، وقتی عملکرد سیگنال در اولویت اول قرار دارد، طرحهای ۳ و ۴ بهوضوح از دو طرح اول بهتر هستند. اما در طراحی محصول واقعی، هزینه یک نگرانی عمده است. با چگالی بالای مسیریابی، طراحان اغلب برای کاهش هزینه از طرح ۱ برای استکآپ استفاده میکنند. هنگام مسیریابی در طرح ۱، به تقاطعهای بین دو لایه سیگنال مجاور توجه ویژهای داشته باشید و سعی کنید تا حد امکان تداخل را کاهش دهید.
(۳) برای بردهای ۸ لایهٔ معمولی، گزینههای پیشنهادی چیدمان لایهها در شکل ۸-۳۷ نشان داده شدهاند. گزینهٔ ۱ یا ۲ را ترجیح دهید. گزینهٔ ۳ قابل استفاده است.
۷. افزودن و ویرایش لایهها
پس از تأیید طرح چیدمان لایهها، چگونه در Altium Designer لایهها را اضافه میکنید؟ یک مثال ساده در ادامه آمده است.
دستور منوی “طراحی → مدیر انباشت لایهها” را اجرا کنید یا کلید میانبر “DK” را فشار دهید تا مدیر انباشت لایهها باز شود. پارامترهای مربوطه را همانطور که در شکل 8-38 نشان داده شده تنظیم کنید.
روی ماوس راستکلیک کرده و “افزودن لایه بالاتر” یا “افزودن لایه پایینتر” را انتخاب کنید تا یک لایه اضافه شود. میتوانید یک صفحه مثبت یا یک صفحه منفی اضافه کنید. برای تنظیم ترتیب لایههای اضافه شده از “حرکت لایه به بالا” یا “حرکت لایه به پایین” استفاده کنید.
روی نام لایه دوبار کلیک کنید تا آن را تغییر نام دهید. میتوانید لایهها را با نامهای TOP، GND02، SIN03، SIN04، PWR05، BOTTOM و غیره نامگذاری کنید. Altium Designer 19 از این نامگذاری “حرف + شماره لایه” پشتیبانی میکند. این کار خواندن و تشخیص را آسانتر میکند.
برد و ضخامت لایهها را مطابق با استکآپ تنظیم کنید.
برای برآورده کردن نیاز طراحی به 20H، میتوانید مقدار محدودهٔ دورنگهداشتن صفحهٔ منفی (جبران داخلی) را تنظیم کنید. [توجه: متن اصلی از “20H” استفاده میکند. مترجم این اصطلاح را همانگونه که نوشته شده حفظ کرده است.]
برای پایان دادن به تنظیمات استکآپ روی “OK” کلیک کنید. در شکل 8-39 تأثیر استکآپ یک برد چهارلایه بهعنوان مثال نشان داده شده است.
۸. توصیه
پیشنهاد میشود لایههای سیگنال را بهعنوان سطوح مثبت و لایههای تغذیه و زمین را بهعنوان سطوح منفی در نظر بگیریم. این رویکرد میتواند بهطور چشمگیری اندازهٔ فایل داده را کاهش دهد و سرعت کار طراحی را افزایش دهد.
