Johdanto
Tietoaika on koittanut, ja piirilevyjen käyttö lisääntyy jatkuvasti. Piirilevymallit monimutkaistuvat. Kun elektroniset osat sijoitetaan lähemmäs toisiaan piirilevyillä, sähköisistä häiriöistä tulee yleinen ongelma. Monikerroksisissa levyissä signaalikerrokset ja virta- tai maadoituskerrokset on erotettava toisistaan. Tämä tekee pinoamissuunnittelusta ja kerrosjärjestyksestä erittäin tärkeitä. Hyvällä pinoamisella voidaan vähentää sähkömagneettista häiriötä ja ristikkäisääniä huomattavasti.
Miksi käyttää monikerroslevyjä
Yksikerroslevyihin verrattuna monikerroslevyt lisäävät signaalikerroksia, reitityskerroksia ja erillisiä virta- ja maatasoja. Tärkein etu on, että ne antavat vakaan jännitteen digitaalisille signaaleille. Ne jakavat tehon tasaisesti jokaiseen osaan. Tämä auttaa vähentämään signaalien välistä kohinaa.
Tehotaso ja maataso
Suurten kuparikaivojen käyttäminen virtaa varten ja kiinteä maataso alentaa näiden tasojen vastusta. Alhaisempi vastus pitää tehotason jännitteen tasaisena. Tämä auttaa kutakin signaalilinjaa pitämään ominaisimpedanssinsa. Vakaa impedanssi auttaa vähentämään heijastuksia ja pienentämään ristikkäisääniä. Huippuluokan piirilevysuunnittelussa suunnittelijat valitsevat usein yli kuuden kerroksen päällekkäisyyksiä. Monikerroksiset levyt päihittävät yksikerroksiset tai matalakerroksiset levyt sähköisessä suorituskyvyssä ja sähkömagneettisen säteilyn vähentämisessä. Kustannukset nousevat useamman kerroksen myötä. Piirilevyn hinta riippuu kerrosten lukumäärästä ja reititystiheydestä pinta-alayksikköä kohti. Jos kerroksia leikataan säästöjen vuoksi, menetetään reititystilaa. Tämä lisää reititystiheyttä. Voit tarvita kapeampia jälkiä ja pienempiä välejä, jotta suunnittelun vaatimukset täyttyvät. Nämä muutokset voivat nostaa kustannuksia tai vaikeuttaa levyn valmistusta. Kerrosten leikkaaminen voi alentaa kustannuksia, mutta se voi heikentää sähköistä suorituskykyä. Tämä valinta voi kostautua.
Mikroliuska, paluupolku ja maataso osana siirtolinjaa
Jos tarkastellaan piirilevyn mikroliuska-asettelua mallina, maataso voi olla osa siirtojohtoa. Signaalijäljen alla oleva maadoitettu kuparivalu toimii signaalin paluureittinä. Tehotaso on sidottu maahan AC-näkymässä olevien purkauskondensaattoreiden avulla. Nämä kaksi tasoa toimivat samalla tavalla signaalin paluureitillä. Ero matalataajuisten ja korkeataajuisten virtasilmukoiden välillä on siinä, miten paluuvirta löytää tiensä. Matalilla taajuuksilla virta palaa pienimmän vastuksen polkua pitkin. Suurilla taajuuksilla virta palaa sitä reittiä pitkin, jonka induktanssi on pienin. Paluuvirralla on taipumus keskittyä suoraan signaalijäljen alle.
Korkeataajuinen paluuvirta ja itsesuojaus
Jos korkeilla taajuuksilla jälki on aivan maatason yläpuolella, vaikka paluureittejä olisi useita, virta palaa signaalijäljen alle lähimmälle reitityskerrokselle, joka johtaa takaisin lähteeseen. Tällä reitillä on pienin impedanssi. Suurten purkauskondensaattoreiden käyttäminen virran kytkemiseksi maadoitukseen vaimentaa sähkökenttiä kapasitanssin avulla. Kun paluupolun induktanssi on alhainen, magneettikentät vaimenevat. Tämä vaikutuspari pitää nettoreaktanssin alhaisena. Tätä kutsutaan itsesuojaukseksi.
Silmukan pinta-ala, etäisyys ja virrantiheys
Paluuvirran yhtälöistä nähdään, että paluuvirran tiheys on kääntäen verrannollinen etäisyyteen signaalijäljestä. Pienempi etäisyys antaa pienemmän silmukan alueen ja pienemmän induktanssin. Näemme myös, että jos signaalijohto ja paluureitti ovat lähellä toisiaan, niissä olevat virrat ovat samankokoisia ja vastakkaissuuntaisia. Niiden magneettikentät kumoavat toisensa lähitilassa. Tämä tekee ulkoisesta EMI:stä hyvin vähäistä. Stack-up-suunnittelussa on parasta sijoittaa maataso lähelle jokaista signaalikerrosta.
Keskinäisen induktanssin aiheuttama ristikkäisääni
Maatason ristikkäisvärähtelyssä korkeataajuiset piirit aiheuttavat ristikkäisvärähtelyä pääasiassa induktiivisen kytkennän avulla. Paluuvirran kaavan mukaan kaksi lähekkäistä signaalijälkeä muodostavat päällekkäisiä virtasilmukoita. Nämä päällekkäiset silmukat aiheuttavat magneettikentän häiriöitä. Kaavassa oleva kytkentäkerroin K riippuu signaalin nousuajasta ja häiritsevän jäljen pituudesta. Pinoamisessa signaalikerroksen ja maatason lähentäminen toisiinsa leikkaa maatason aiheuttamaa häiriötä.
Kuparivalut, halkeamat ja eristysseinät
Kun suunnittelijat valavat kuparia virtaa ja maadoitusta varten, heidän on oltava varovaisia, etteivät he luo eristysseinää valualueelle. Tämä ongelma johtuu usein liian monista läpivienneistä tai huonosta läpivientien eristyssuunnitelmasta. Tuloksena voi olla hidas reunan nousu, suurempi silmukkapinta-ala, suurempi induktanssi ja enemmän ristikkäisääniä ja EMI:tä.
Via-tiheys ja via-aidat voivat rikkoa maatason saarekkeiksi. Nämä saarekkeet pakottavat paluuvirran kulkemaan pidempää reittiä. Tämä lisää silmukan pinta-alaa ja induktanssia. Tämän välttämiseksi suunnittele läpivientien sijoittelu ja tasojen jakaminen siten, että paluuvirta voi kulkea sujuvasti. Kun tasot on jaettava eri jännitteitä varten, sijoita ompeleet läpivienneillä ja pidä irrotus lähellä laitteita.
Kuparikaatojen yhdistäminen prosessin tasapainottamiseksi
Kun asetamme kuparia levylle, yritä sijoittaa kaadot pareittain prosessin tasapainottamiseksi. Tämä on piirilevyjen valmistukseen liittyvä huolenaihe. Epätasapainoinen kupari voi vääntää levyä. Jokaisen signaalikerroksen naapurina on parasta olla vastaava kuparivalukerros. Suuren virran tehotasojen ja läheisen kuparivalun välinen etäisyys vaikuttaa vakauteen ja sähkömagneettiseen häiriöön. Suurnopeuslevysuunnittelussa on yleistä lisätä ylimääräisiä maadoituskerroksia signaalikerrosten erottamiseksi toisistaan. Nämä ylimääräiset maadoituskerrokset toimivat suojina ja auttavat pitämään EMI:n alhaisena.
Purkaminen ja paluupolku lähelle lähdettä
Pidä purkauskondensaattorit lähellä laitteiden virtanastoja. Purkukapselit sitovat teho- ja maatasot yhteen korkeilla taajuuksilla. Hyvä purku antaa lyhyen paluupolun laitteen lähelle. Tämä vähentää silmukan pinta-alaa ja pienentää induktanssia. Lyhyet silmukat vähentävät sähkömagneettista häiriötä ja ristikkäisviestintää.
Impedanssin säätö ja jäljitysominaisuudet
Jälki-impedanssin hallitseminen tarkoittaa, että jäljen geometria ja dielektriset ominaisuudet pysyvät tasaisina. Tasainen impedanssi pitää signaalit puhtaina ja vähentää heijastuksia. Impedanssin hallitsemiseksi aseta jälki kiinteän vertailutason päälle ja pidä etäisyys ja dielektrisyysvakio tasaisena. Maadoitusreferenssi suoraan jäljen alla antaa hyvän mikroliuska- tai raitajohtokäyttäytymisen. Tämä auttaa sekä yksi- että differentiaalipareja.
Differentiaaliparit ja yhteismuotoinen kohina
Differentiaalipareissa tarvitaan tiukka väli ja kiinteä vertailutaso, jotta differentiaaliimpedanssi pysyy vakaana. Differentiaalinen signalointi vähentää yhteismuotoista kohinaa, jos pari on reititetty hyvin. Pidä pari yhdessä, vältä pistotulppia ja pidä paluutaso lähellä. Tämä vähentää sekä säteilyä että läheisiin verkkoihin kohdistuvaa ristikkäishäirintää.
Reitityssäännöt ja kerrosten lukumäärää koskevat kompromissit
Kun kerrosten määrä vähenee, reititystila vähenee. Tämä pakottaa suunnittelijat vähentämään jäljen leveyttä ja aukkoa. Suurempi reititystiheys voi lisätä ristikkäisääniä ja impedanssin vaihtelua. Monissa malleissa oikea valinta on hyväksyä suurempi kerrosluku, jotta reititys olisi helpompaa ja sähköinen suorituskyky säilyisi. Useamman kerroksen kustannukset ovat todellisia, mutta huono signaalin eheys voi maksaa enemmän virheenkorjausaikana ja tuotevirheinä.
Suurnopeuslevyt ja ylimääräiset maadoituskerrokset
Nopeat levyt hyötyvät maadoituskerrosten lisäämisestä signaalikerrosten eristämiseksi. Tämä vähentää eri kerroksissa olevien signaalien välistä kytkentää. Ylimääräiset maadoituskerrokset toimivat suojauksina. Ne muodostavat lähellä olevan matalainduktanssin paluureitin. Tämä vähentää sähkömagneettista häiriötä ja tekee ajoituksesta ennustettavampaa.
Käytännön vinkkejä pinoamiseen ja reitittämiseen
- Laita kiinteä maataso lähelle jokaista nopeaa signaalikerrosta.
- Käytä tehotasoja, joissa on leveät kuparikaadot, ja pidä ne matalaresistanssisina.
- Aseta irrotuskorkit virtanastojen lähelle ja kytke virta maahan lyhyillä poluilla.
- Vältä tasohalkeamia suurnopeusjäljissä. Jos tasohalkaisu on pakko tehdä, lisää ompele läpivientejä jäljen läheisyyteen.
- Tarkkaile tiheyden kautta, jotta et aiheuta yhteyskatkoksia koneeseen.
- Pidä jäljet lyhyinä ja vältä pätkiä.
- Käytä differentiaalipareja signaaleille, jotka tarvitsevat häiriönsietokykyä.
- Valitse pinoaminen siten, että paluureitti on lyhyt ja silmukkapinta-ala pieni.
- Tasapainota kupari ulommissa kerroksissa vääntymisen vähentämiseksi.
Yhteenveto
Elektroniikan tihentyessä EMI ja ristikkäisviestintä ovat yhä suurempia ongelmia. Monikerroksiset piirilevyt tarjoavat välineitä näiden ongelmien torjumiseen. Virta- ja maatasot, parittaiset kuparivalut, tiiviit pinot ja hyvä irrotus auttavat. Huolellinen kerrossuunnitelma ja reitityskäytäntö pienentävät silmukoiden pinta-alaa ja induktanssia. Tämä vähentää sähkömagneettista häiriötä ja ristikkäisääniä. Loppujen lopuksi hyvät pinoamis- ja reititysvalinnat säästävät aikaa ja rahaa vähentämällä virheenkorjaus- ja vikariskiä.
