1. Määritelmä ja kerrosten lisääminen
Osoitteessa nopeat monikerroslevyt, kaksikerroksinen perussuunnittelu ei useinkaan pysty täyttämään signaalin laadun ja reititystiheyden tarpeita. Tällöin sinun on lisättävä kerroksia piirilevyn pinoamiseen suunnittelun tarpeiden täyttämiseksi.
2. Positiiviset (signaali) tasot ja negatiiviset (käänteiset) tasot.
Positiivinen taso on tavallinen signaalikerros, jota käytetään reititykseen. Näkyvät osat ovat kuparijälkiä. Positiiviselle tasolle voi tehdä suuria kuparivaluja ja täyttää alueita kuparilla, jolloin kuparialueita kuvaavat esimerkiksi termit “trace” tai “copper”. Katso kuva 8-32.
Negatiivinen taso on päinvastainen. Negatiivisessa tasossa oletusarvoisesti kuparia valetaan koko kerroksen yli. Reititysalueet ovat leikkauksia. Reitityslinjoissa ei ole kuparia. Sinä kaiverrat kuparia ja asetat sitten verkot kaiverretuille alueille. Katso kuva 8-33.
3. Sisäisten teho-/maatasojen jakaminen
Vanhemmissa Protel-versioissa sisäiset tehotasot jaettiin “split”-toiminnolla. Nykyisissä versioissa, kuten Altium Designer 19, jaat piirtämällä “viivoja” ja käyttämällä pikanäppäintä “PL” niiden sijoittamiseen. Jaetut viivat eivät saa olla liian ohuita. Voit valita 15 mil tai suuremman. Kun kaadat kuparia halkaisun jälkeen, piirrä suljettu monikulmio “viiva”-työkalulla, kaksoisnapsauta sitten monikulmion sisällä ja aseta verkko kuparivalua varten. Katso kuva 8-34.
Sekä positiivisia että negatiivisia tasoja voidaan käyttää sisäisiä teho- tai maakerroksia varten. Positiivinen sisätaso voidaan saavuttaa myös reitittämällä ja kuparivaluilla. Negatiivisen tason etuna on se, että oletusarvoisesti aloitat suurella valetulla kuparialueella. Sen jälkeen voit lisätä läpivientejä tai muuttaa valukokoja ilman, että koko kerros valetaan uudelleen. Tämä säästää aikaa kuparivalun uudelleenlaskennassa. Kun sisäisiä kerroksia käytetään virta- ja maatasoina (joita kutsutaan myös maatasoksi tai paluutasoksi), kerrokset ovat useimmiten suuria kuparivaluja. Negatiivisten tasojen käytön etu on tässä selvä.
4. PCB Stackupin ymmärtäminen
Kun nopeat piirit yleistyvät, piirilevyjen monimutkaisuus kasvaa. Sähköisten häiriöiden välttämiseksi signaalikerrokset ja tehokerrokset on erotettava toisistaan. Tämä johtaa monikerroksiseen PCB-suunnitteluun. Ennen monikerroksisen piirilevyn suunnittelua suunnittelijan on ensin päätettävä levyn rakenne piirin koon, levyn mittojen ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) vaatimusten perusteella. Toisin sanoen on päätettävä, käytetäänkö 4-, 6- vai useampikerroksista levyä. Tämä on monikerroksisen levyn suunnittelun perusajatus.
Kun kerrosten lukumäärä on päätetty, seuraava vaihe on sijoittaa sisäiset virta- ja maakerrokset ja päättää, miten eri signaalityypit jaetaan näille kerroksille. Tämä valinta on pinoamisvalinta. Pinoamisrakenne on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa piirilevyn EMC-suorituskykyyn. Hyvä päällekkäissuunnittelu voi vähentää huomattavasti sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja ristikkäisviestintää..
Enemmän kerroksia ei ole aina parempi, eikä vähemmän kerroksia ole aina parempi. Monikerroksisen kerroskokonaisuuden valitseminen edellyttää monien tekijöiden punnitsemista. Reitityksen kannalta useampi kerros helpottaa reititystä. Mutta myös valmistuskustannukset ja -vaikeudet nousevat. Osoitteessa valmistajat, onko pinoaminen symmetrinen, on tärkeä huolenaihe valmistuksen aikana. Kerrosluvun on siis oltava tasapainossa kaikkien tarpeiden kanssa.
Kokeneet suunnittelijat tekevät yleensä komponenttien esisijoittelun. Sitten he analysoivat reitityksen pullonkaulat. He laskevat erityiset reititystarpeet, kuten differentiaaliparit ja herkät verkot. Tämän perusteella he päättävät, kuinka monta signaalikerrosta tarvitaan. Sen jälkeen he päättävät sisäisten teho-/maakerrosten määrän tehotyyppien, eristystarpeiden ja häiriönpoiston perusteella. Tämän jälkeen levykerrosten kokonaismäärä on periaatteessa kiinteä.
5. Yleiset PCB Stackups
Kun kerrosten lukumäärä on määritetty, seuraava tehtävä on järjestää kerrosten järjestys. Kuvissa 8-35 ja 8-36 on esitetty 4- ja 6-kerroksisten piirilevyjen tavanomaiset pinoamisjärjestykset.
6. Pinoamisanalyysi
Miten pinota? Mikä pinoaminen on parempi? Noudata näitä perussääntöjä:
Tee komponenttipuolen ja juotospuolen maadoitukset mahdollisuuksien mukaan täysiksi maadoitustasoiksi (tämä antaa suojauksen).
Vältä vierekkäisiä rinnakkaisia reitityskerroksia niin paljon kuin mahdollista.
Aseta kaikki signaalikerrokset maatason viereen, jos mahdollista.
Aseta kriittiset signaalit maadoituskerroksen viereen ja vältä jaettujen alueiden ylittämistä.
Sovella näitä sääntöjä kuvissa 8-35 ja 8-36 esitettyihin yleisiin pinoamisesimerkkeihin. Analyysi on seuraava.
(1) Taulukossa 8-1 verrataan kolmen yleisen 4-kerroksisen piirilevyn kasausjärjestelmän etuja ja haittoja.
| Järjestelmä | Kaavio (ASCII Art) | Edut | Haitat |
|---|---|---|---|
| Kaavio 1 | ┌─────────────────────┐ │ PWR01 (Virta) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Maa) │ └─────────────────────┘ | Tämä järjestelmä on suunniteltu pääasiassa yhden kerroksen suojausvaikutuksen aikaansaamiseksi, kun tehotasot ja maatasot on sijoitettu vastaavasti ylä- ja alakerroksiin. | (1) Teho- ja maatasot ovat liian kaukana toisistaan, mikä johtaa liialliseen impedanssiin tehotasossa;(2) Teho- ja maatasot ovat erittäin epätäydellisiä komponenttityynyjen ja muiden tekijöiden vaikutuksesta;(3) Epätäydellinen vertailutaso aiheuttaa epäjatkuvia signaalijälkiä, mikä vaikeuttaa odotetun suojausvaikutuksen saavuttamista. |
| Kaavio 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Maa) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Virta) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Signaali) │ └─────────────────────┘ | Komponenttipuolen alle on sijoitettu maataso, joten se soveltuu skenaarioihin, joissa pääkomponentit on sijoitettu päällimmäiseen kerrokseen tai tärkeimmät signaalit on reititetty päällimmäiseen kerrokseen. | / |
| Kaavio 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ PWR02 (Virta) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Maa) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Signaali) │ └─────────────────────┘ | Samoin kuin järjestelmä 2, se soveltuu skenaarioihin, joissa pääkomponentit on sijoitettu alimpaan kerrokseen tai keskeiset signaalit on reititetty alimpaan kerrokseen. | / |
(2) Taulukossa 8-2 verrataan neljän yleisen 6-kerroksisen levyn kasausjärjestelmän etuja ja haittoja.
| Järjestelmä | Kaavio (ASCII Art) | Edut | Haitat |
|---|---|---|---|
| Kaavio 1 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (maa) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (signaali) │ ├─────────────────────┤ │ SIN04 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Virta) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signaali) │ └─────────────────────┘ | Ottaa käyttöön 4 signaalikerrosta ja kaksi sisäistä virta/maakerrosta, mikä tarjoaa enemmän signaalikerroksia komponenttien välisen reitityksen helpottamiseksi. | (1) Tehotaso ja maataso ovat liian kaukana toisistaan, mikä johtaa riittämättömään kytkentään; (2) Signaalikerrokset SIN03 ja SIN04 reititetään pääasiassa pintakerroksissa, mikä johtaa huonoon signaalieristykseen ja ristikkäisviestintään, mikä edellyttää porrastettua reititystä. |
| Kaavio 2 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ SIN02 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND03 (Maa) │ ├─────────────────────┤ │ PWR04 (Virta) │ ├─────────────────────┤ │ SIN05 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signaali) │ └─────────────────────┘ | Tehotaso ja maataso ovat täysin kytkettyjä. | Pintasignaalikerrosten viereiset kerrokset ovat myös signaalikerroksia, mikä johtaa huonoon signaalieristykseen ja ristikkäisviestintään. |
| Kaavio 3 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (maa) │ ├─────────────────────┤ │ SIN03 (signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Maa) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Teho) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signaali) │ └─────────────────────┘ | (1) Tehotaso ja maataso ovat täysin kytkettyjä;(2) Kukin signaalikerros on suoraan sisäisen teho/maatason vieressä, mikä tarjoaa tehokkaan eristyksen muista signaalikerroksista ja vähentää ristikkäisviestintää;(3) Signaalikerros SIN03 on kahden sisäisen tason (GND02 ja PWR05) vieressä, mikä voi tehokkaasti suojata ulkoisia häiriöitä SIN03:ssa ja ristikkäisviestintää SIN03:sta muihin kerroksiin. | / |
| Kaavio 4 | ┌─────────────────────┐ │ SIN01 (Signaali) │ ├─────────────────────┤ │ GND02 (Maa) │ ├─────────────────────┤ │ PWR03 (Virta) │ ├─────────────────────┤ │ GND04 (Maa) │ ├─────────────────────┤ │ PWR05 (Teho) │ ├─────────────────────┤ │ SIN06 (Signaali) │ └─────────────────────┘ | (1) Tehotaso ja maataso ovat täysin kytkettyjä;(2) Kukin signaalikerros on suoraan sisäisen teho-/maatasotason vieressä, mikä tarjoaa tehokkaan eristyksen muista signaalikerroksista ja vähentää ristikkäisviestintää. | / |
Järjestelmien 1 ja 4 vertailun perusteella voidaan todeta, että kun signaalin suorituskyky on tärkein prioriteetti, järjestelmät 3 ja 4 ovat selvästi parempia kuin kaksi ensimmäistä järjestelmää. Todellisessa tuotesuunnittelussa kustannukset ovat kuitenkin merkittävä huolenaihe. Kun reititystiheys on suuri, suunnittelijat valitsevat usein järjestelmän 1 pinoamista varten kustannusten säästämiseksi. Kun reitität järjestelmää 1, kiinnitä erityistä huomiota kahden vierekkäisen signaalikerroksen välisiin risteyksiin ja yritä vähentää ristikkäisviestintää mahdollisimman paljon.
(3) Yleisten 8-kerroksisten piirilevyjen suositellut pinoutumisvaihtoehdot on esitetty kuvassa 8-37. Suosi vaihtoehtoa 1 tai 2. Vaihtoehto 3 on käyttökelpoinen.
7. Tasojen lisääminen ja muokkaaminen
Kun olet vahvistanut pinoamissuunnitelman, miten lisäät kerrokset Altium Designerissa? Seuraavassa on yksinkertainen esimerkki.
Avaa Layer Stack Manager valikkokomennolla “Design → Layer Stack Manager” tai painamalla pikanäppäintä “DK”. Aseta asiaan liittyvät parametrit kuvan 8-38 mukaisesti.
Napsauta hiiren kakkospainikkeella ja valitse “Lisää kerros yläpuolelle” tai “Lisää kerros alapuolelle” lisätäksesi kerroksen. Voit lisätä positiivisen tason tai negatiivisen tason. Käytä “Siirrä taso ylös” tai “Siirrä taso alas”, kun haluat säätää lisättyjen tasojen järjestystä.
Nimeä kerros uudelleen kaksoisnapsauttamalla sen nimeä. Voit nimetä kerrokset TOP, GND02, SIN03, SIN04, PWR05, BOTTOM jne. Altium Designer 19 tukee tätä “kirjain + kerroksen numero” nimeämistä. Tämä helpottaa lukemista ja tunnistamista.
Aseta levyn ja kerroksen paksuus pinoamisen mukaan.
Voit asettaa negatiivisen tason pidättymismäärän (sisäinen siirtymä), jos haluat täyttää suunnittelun 20H-vaatimuksen. [Huomautus: alkuperäisessä tekstissä käytetään “20H”. Kääntäjä pitää tämän termin kirjoitettuna.]
Napsauta “OK” viimeistelläksesi pinoamisasetukset. Esimerkki 4-kerroksisen piirilevyn pinoamisvaikutuksesta on esitetty kuvassa 8-39.
8. Suositus
Signaalikerroksia ehdotetaan käsiteltävän positiivisina tasoina ja teho- ja maakerroksia negatiivisina tasoina. Tämä lähestymistapa voi vähentää huomattavasti tiedoston datakokoa ja nopeuttaa suunnittelutyötä.
