1. Pinoamissuunnittelun keskeiset periaatteet
Yleisesti ottaen pinoamisen suunnittelussa on noudatettava kahta sääntöä:
- Jokaisella reitityskerroksella on oltava läheinen viitekerros. Vertailukerros voi olla tehotaso tai maataso.
- Pidä päävirtataso ja maataso mahdollisimman lähellä toisiaan. Tämä antaa suuremman kytkentäkapasitanssin.
Alla on esimerkkejä pinoutumista kaksikerroksisista levyistä aina kahdeksankerroksisiin levyihin asti.
2. Pinoamiskaaviot PCB-kerrosten lukumäärän mukaan
2.1 Yksi- ja kaksikerroksiset levykerrokset
Kaksikerroksisissa levyissä kerrosten määrä on pieni. Pinoutumisongelmia ei ole samalla tavalla kuin monikerroksisissa levyissä. EMI-säteilyn hallinnan on tultava reitityksestä ja asettelusta.
Yksikerroksinen ja kaksikerroksisilla levyillä on kasvavia EMC-ongelmia. Suurin syy on se, että signaalisilmukoiden alueista voi tulla suuria. Suuret silmukka-alueet eivät ainoastaan aiheuta voimakasta säteilyä, vaan ne tekevät piiristä myös herkän ulkopuolisille häiriöille. EMC:n parantamiseksi yksinkertaisin askel on pienentää keskeisten signaalien silmukka-aluetta.
Avainsignaalit: EMC-näkökulmasta keskeisiä signaaleja ovat voimakkaan säteilyn aiheuttavat signaalit ja signaalit, jotka ovat herkkiä ulkoiselle melulle. Voimakasta säteilyä aiheuttavat signaalit ovat yleensä jaksollisia signaaleja. Tällaisia ovat esimerkiksi kellot ja matalan kertaluvun osoitesignaalit. Kohinaherkät signaalit ovat yleensä matalan tason analogisia signaaleja.
Yksi- ja kaksikerroksisia levyjä käytetään yleensä matalataajuisissa, alle 10 kHz:n analogisissa suunnitelmissa. Käytä näitä perussääntöjä:
- Reititä teho samassa kerroksessa säteittäisesti, kun se on mahdollista. Yritä pitää johtojen kokonaispituus pienenä.
- Pidä virta- ja maajohdot lähellä toisiaan. Sijoita maajohto avainsignaalin viereen. Aseta tämä maajohto niin lähelle signaalia kuin mahdollista. Tämä luo pienen silmukka-alueen. Pieni silmukkapinta-ala pienentää yhteismuotoista säteilyä ja vähentää signaalin herkkyyttä ulkopuoliselle kohinalle. Kun laitat maajäljen signaalin viereen, pieni silmukka vetää puoleensa signaalin paluuvirtaa. Signaalivirta kulkee tällöin tämän pienen silmukan kautta eikä muiden maadoitusväylien kautta.
- Jos kyseessä on kaksipuolinen levy, aseta leveä maajälki levyn toiselle puolelle suoraan signaalijäljen alle. Tee tästä maadoitusjäljestä mahdollisimman leveä. Näin muodostuu silmukka-alue, joka on yhtä suuri kuin levyn paksuus kertaa signaalin pituus.
2.2 Nelikerroksiset levykerrokset
Yleisiä nelikerroksisia pinoja ovat:
- SIG - GND (tai PWR) - PWR (tai GND) - SIG
- GND - SIG (tai PWR) - SIG (tai PWR) - GND
Molemmissa näissä pinoamisissa on potentiaalinen ongelma, kun levyn vakiopaksuus on 1,6 mm (62 mil). Kerrosten välisestä etäisyydestä tulee suuri. Suuret välit vaikeuttavat impedanssin, kerroskytkennän ja suojauksen hallintaa. Erityisesti jos virta- ja maatasojen väli on suuri, levyn kapasitanssi laskee. Alhainen piirilevyn kapasitanssi ei ole hyvä kohinan suodattamisen kannalta.
Ensimmäisessä pinossa (SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)
Sitä käytetään usein, kun pelilaudalla on paljon pelimerkkejä. Tämä pinoaminen antaa hyvän signaalin eheyden. EMI-suorituskyky ei ole yhtä hyvä. EMI:tä on hallittava huolellisella reitityksellä ja muilla yksityiskohdilla.
Tärkeimmät kohdat:
- Aseta maataso sen signaalikerroksen viereen, jossa on tihein reititys. Tämä auttaa absorboimaan ja vähentämään säteilyä.
- Lisää myös levyn pinta-alaa. Noudata 20H-sääntöä.
Toisessa pinoamisessa (GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)
Ihmiset käyttävät sitä silloin, kun sirutiheys on alhainen ja kun sirualueella on tilaa tehokuparivaluille. Tässä mallissa ulommat kerrokset ovat maatasoja ja kaksi sisempää kerrosta ovat signaali- tai tehokerroksia. Reititä teho signaalikerroksessa leveillä jäljillä. Leveät jäljet tekevät tehopolun impedanssista matalan ja mikroliuska-signaaliimpedanssista matalan. Ulommat maakerrokset voivat suojata sisäisiä signaaleja säteilyltä. EMI-valvonnan kannalta tämä on paras tällä hetkellä saatavilla oleva nelikerroksinen piirilevyrakenne.
Tärkeimmät kohdat:
- Pidä kahden sisemmän sekasignaali- ja tehokerroksen välinen etäisyys suurempana.
- Tee reitityssuunnat ortogonaalisiksi näiden kerrosten välillä ristikkäisäänen välttämiseksi.
- Valvontalauta-alue ja noudata 20H-sääntöä.
- Jos sinun on valvottava reititysimpedanssia, aseta jäljet huolellisesti virran ja maadoituskuparisaarekkeiden alle.
- Yritä myös yhdistää kuparikaadot virta- tai maadoituskerroksiin mahdollisimman paljon. Tämä antaa hyvän DC- ja matalataajuusyhteyden.
2.3 Kuusikerroksiset piirilevyjen pinoamiset
Jos suunnittelussa on suuri sirutiheys ja suuri kellotaajuus, kannattaa harkita kuusikerroksisia levyjä. Kaksi suositeltua kuusikerroksista kokoonpanoa ovat seuraavat:
Vaihtoehto 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
Tällä järjestelmällä saat hyvän signaalin eheyden. Jokainen signaalikerros sijaitsee maatason vieressä. Virta- ja maatasot ovat pareittain. Voit hallita kunkin reitityskerroksen impedanssia hyvin. Molemmat maatasot voivat absorboida magneettivuon hyvin. Kun virta- ja maatasot ovat täynnä, jokaisella signaalikerroksella on hyvä paluupolku.
Vaihtoehto 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
Tämä vaihtoehto sopii levyille, joissa laitetiheys ei ole kovin suuri. Se säilyttää ensimmäisen vaihtoehdon edut. Lisäksi ylä- ja alapuolen maatasot ovat jatkuvampia. Ne toimivat hyvinä suojina.
Huomautus: Aseta virtalevy lähelle sitä puolta, joka ei ole pääkomponentin puoleinen. Tällöin pohjataso on täydellisempi, ja EMI-suorituskyky on parempi kuin ensimmäisessä vaihtoehdossa.
Yhteenveto kuusikerroksisista levyistä:
Pidä virta- ja maatasojen välinen etäisyys mahdollisimman pienenä. Näin saadaan aikaan hyvä teho-maakytkentä. 62 milin levynpaksuudella kerrosväli on pienempi kuin nelikerrosvaihtoehdoissa. Silti päävirta- ja maadoitusväliä ei ole helppo tehdä kovin pieneksi. Toiseen vaihtoehtoon verrattuna ensimmäinen vaihtoehto maksaa vähemmän. Siksi valitsemme usein ensimmäisen muodon käytännön kasaukseen. Noudata suunnittelussa 20H-sääntöä ja peilikerrossääntöä.
2.4 Kahdeksankerroksiset piirilevyjen pinoamiset
Kahdeksankerroksisilla levyillä on monia mahdollisia pinoamisia. Jotkin niistä ovat EMI:n kannalta huonompia, koska niiden absorptio on heikko ja tehoimpedanssi suuri. Seuraavassa kuvataan kolme muotoa:
Tyyppi A (ei hyvä)
Tässä muodossa on pienempi sähkömagneettinen absorptio ja suurempi tehoimpedanssi. Sen kerrosjärjestys on:
- Signaali 1: komponenttipuoli, mikroliuska reitityskerros
- Signaali 2: sisäinen mikroliuska reitityskerros, hyvä reitityskerros (X-suunta).
- Maa
- Signaali 3: nauhalinjan reitityskerros, hyvä reitityskerros (Y-suunta).
- Signaali 4: nauhalinjan reitityskerros
- Teho
- Signaali 5: sisäinen mikroliuskainen reitityskerros
- Signaali 6: mikroliuskainen reitityskerros
Tämä lomake ei ole hyvä valinta, koska se ei anna johdonmukaisia viittauksia kaikille signaalikerroksille. Virtaimpedanssi on korkea ja EMI-ohjaus on heikko.
Tyyppi B (muunnos, johon on lisätty vertailukerroksia)
Tämä on kolmannen tyypin muunnos. Lisäämällä viitekerroksia saadaan parempi EMI-suorituskyky. Kunkin signaalikerroksen ominaisimpedanssia voidaan hallita hyvin. Yksi mahdollinen järjestys on:
- Signaali 1: komponenttipuoli, mikroliuska reitityskerros, hyvä reitityskerros.
- Maa: hyvä aaltojen absorptio
- Signaali 2: nauhalinjan reitityskerros, hyvä reitityskerros.
- Teho: tämä tehotasanne ja sen alapuolella oleva maa muodostavat hyvän sähkömagneettisen absorption.
- Maa: maataso
- Signaali 3: nauhalinjan reitityskerros, hyvä reitityskerros.
- Teho: tällä tehotasolla on suurempi tehoimpedanssi.
- Signaali 4: mikroliuska reitityskerros, hyvä reitityskerros.
Tyyppi C (paras käytäntö)
Tämä on paras pinoamismuoto. Siinä käytetään useita maavertailutasoja. Tämä antaa erittäin hyvän sähkömagneettisen absorption. Yleinen järjestys on:
- Signaali 1: komponenttipuoli, mikroliuska reitityskerros, hyvä reitityskerros.
- Maa: hyvä aaltojen absorptio
- Signaali 2: nauhalinjan reitityskerros, hyvä reitityskerros.
- Teho: tämä tehotasanne ja sen alapuolella oleva maa muodostavat erinomaisen sähkömagneettisen absorption.
- Maa: maataso
- Signaali 3: nauhalinjan reitityskerros, hyvä reitityskerros.
- Maa: toinen maataso, hyvä aaltojen absorptio.
- Signaali 4: mikroliuska reitityskerros, hyvä reitityskerros.
3. Kerrosten lukumäärän ja pinoamisen valitseminen
Valitse kerrosten määrä ja pinoamismuoto monien tekijöiden perusteella. Näitä ovat muun muassa: levyn signaaliverkkojen määrä, komponenttitiheys, nastatiheys, signaalitaajuudet ja levyn koko. Harkitse kaikkia näitä yhdessä.
Muotoilutiedot:
- Jos signaaliverkkoja on paljon, suunnittele useammalla kerroksella.
- Jos komponenttitiheys on suuri, valitse enemmän kerroksia.
- Jos nastatiheys on suuri, valitse enemmän kerroksia.
- Jos signaalin taajuus on korkea, valitse enemmän kerroksia.
- Hyvän EMI-suorituskyvyn saavuttamiseksi yritä varmistaa, että jokaisella signaalikerroksella on oma vertailukerroksensa. Vertailukerros voi olla maa tai virta. Tämä auttaa hallitsemaan impedanssia ja antaa tiiviit paluureitit. Tiiviit paluureitit pienentävät silmukkapinta-alaa. Pienempi silmukkapinta-ala vähentää säteilyä ja häiriöherkkyyttä.
4. Yksinkertaiset säännöt, joita on noudatettava kaikissa malleissa
- Anna jokaiselle reitityskerrokselle läheinen vertailutaso. Tämä auttaa hallitsemaan impedanssia ja paluuvirtaa.
- Yhdistä virta- ja maatasot, kun se on mahdollista. Pidä välimatka pienenä. Tämä lisää tason kapasitanssia. Suuri tasokapasitanssi alentaa kohinaa.
- Aseta maataso sen signaalikerroksen viereen, jossa on tiheä reititys. Tämä auttaa absorboimaan ja pysäyttämään säteilyä.
- Käytä ortogonaalista reititystä vierekkäisillä signaalikerroksilla ristikkäisviestinnän vähentämiseksi.
- Käytä leveää jälkeä tehon reitityksessä sekoitetuissa kerroksissa, jotta tehopolun impedanssi pysyy alhaisena.
- Interconnect-kupari valuu virta- ja maatasoille, jotta saat vahvat DC- ja matalataajuusyhteydet.
- Noudata 20H-sääntöä, kun määrität levyn pinta-alaa, ja pidä mielessä peilikerroksen suunnittelusäännöt.
- Kun kyseessä on nopea tai tiheä rakenne, suosi kuusi- tai kahdeksankerroksisia levyjä, jotta jokaisella signaalikerroksella on läheinen vertailukohta.
- Matalataajuisissa analogisissa malleissa yksi- tai kaksikerroksiset levyt voivat toimia, jos silmukka-alueet pidetään pieninä ja maadoitus sijoitetaan lähelle signaaleja.
- Kun voit, tee sisäiset virta- ja maatasot lähekkäin. Tämä parantaa irrotusta ja vähentää sähkömagneettista häiriötä.
5. Loppusanat
Pinoamisvalinta on järjestelmävaihtoehto. Tarkastele verkkoja, asettelua, komponenttien sijoittelua, nastojen määrää ja taajuutta kerralla. Paremman EMI:n ja signaalien hallinnan varmistamiseksi anna jokaiselle signaalikerrokselle selkeä lähiviittaus. Käytä paritettuja tasoja ja kapeita tasovälejä, kun se on mahdollista. Käytä useita maatasoja parhaan sähkömagneettisen absorption saavuttamiseksi monikerroksisissa levyissä. Kun suunnittelet, tasapainota kustannukset ja suorituskyky. Noudata edellä esitettyjä yksinkertaisia sääntöjä ja valitse piirilevyn tarpeisiin sopiva pinoaminen.
