1. Nguyên tắc cơ bản của thiết kế xếp chồng
Tổng quan, thiết kế xếp chồng phải tuân theo hai quy tắc:
- Mỗi lớp định tuyến phải có một lớp tham chiếu gần kề. Lớp tham chiếu có thể là lớp nguồn điện hoặc lớp đất.
- Giữ cho mặt phẳng nguồn chính và mặt phẳng đất gần nhau nhất có thể. Điều này sẽ tạo ra một điện dung ghép lớn hơn.
Dưới đây là các ví dụ về cấu trúc lớp từ bảng mạch hai lớp đến bảng mạch tám lớp.
2. Cách xếp lớp theo số lớp PCB
2.1 Cấu trúc xếp lớp bảng mạch một lớp và hai lớp
Đối với bảng mạch hai lớp, số lượng lớp là thấp. Các vấn đề về xếp chồng lớp không tồn tại theo cách tương tự như đối với bảng mạch nhiều lớp. Việc kiểm soát bức xạ EMI phải được thực hiện thông qua việc bố trí đường dẫn và thiết kế mạch.
Lớp đơn Và các bảng mạch hai lớp đang gặp phải các vấn đề EMC ngày càng nghiêm trọng. Nguyên nhân chính là do diện tích vòng lặp tín hiệu có thể trở nên quá lớn. Diện tích vòng lặp lớn không chỉ gây ra bức xạ mạnh mà còn làm cho mạch nhạy cảm với nhiễu từ bên ngoài. Để cải thiện EMC, bước đơn giản nhất là giảm diện tích vòng lặp của các tín hiệu quan trọng.
Các tín hiệu quan trọng: Từ góc độ EMC, các tín hiệu quan trọng là những tín hiệu phát ra bức xạ mạnh và những tín hiệu nhạy cảm với nhiễu từ bên ngoài. Các tín hiệu phát ra bức xạ mạnh thường là các tín hiệu định kỳ. Điều này bao gồm các tín hiệu đồng hồ và các tín hiệu địa chỉ cấp thấp. Các tín hiệu nhạy cảm với nhiễu thường là các tín hiệu analog mức thấp.
Bo mạch đơn lớp và kép lớp thường được sử dụng trong thiết kế analog tần số thấp dưới 10 kHz. Áp dụng các quy tắc cơ bản sau:
- Khi có thể, hãy bố trí đường dẫn nguồn trên cùng một lớp theo hướng tỏa ra. Hãy cố gắng giữ tổng chiều dài của các đường dẫn ở mức nhỏ nhất có thể.
- Giữ các đường dẫn nguồn và đất gần nhau. Đặt một đường dẫn đất bên cạnh một tín hiệu quan trọng. Đặt đường dẫn đất đó gần tín hiệu nhất có thể. Điều này tạo ra một vùng vòng lặp nhỏ. Vùng vòng lặp nhỏ giúp giảm bức xạ chế độ chung và làm giảm độ nhạy của tín hiệu đối với nhiễu từ bên ngoài. Khi đặt đường dẫn đất bên cạnh tín hiệu, vùng vòng lặp nhỏ sẽ hút dòng điện trở về của tín hiệu. Dòng điện tín hiệu sau đó sẽ đi qua vùng vòng lặp nhỏ này chứ không đi qua các đường dẫn đất khác.
- Đối với bảng mạch hai mặt, đặt một đường dẫn đất rộng ở mặt còn lại của bảng mạch ngay dưới đường dẫn tín hiệu. Làm cho đường dẫn đất này rộng nhất có thể. Điều này tạo ra một khu vực vòng lặp có diện tích bằng độ dày của bảng mạch nhân với chiều dài của tín hiệu.
2.2 Cấu trúc xếp lớp bảng mạch bốn lớp
Các cấu trúc xếp lớp bốn lớp thông dụng bao gồm:
- SIG – GND (hoặc PWR) – PWR (hoặc GND) – SIG
- GND – SIG (hoặc PWR) – SIG (hoặc PWR) – GND
Đối với cả hai cấu trúc xếp lớp này, có một vấn đề tiềm ẩn với độ dày tiêu chuẩn của bảng mạch là 1,6 mm (62 mil). Khoảng cách giữa các lớp trở nên quá lớn. Khoảng cách lớn khiến việc kiểm soát trở kháng, tương tác giữa các lớp và khả năng chắn sóng trở nên khó khăn. Đặc biệt, nếu khoảng cách giữa các lớp nguồn và đất quá lớn, điện dung của bảng mạch sẽ giảm. Điện dung bảng mạch thấp không tốt cho việc lọc nhiễu.
Đối với lớp xếp chồng đầu tiên (SIG – GND/PWR – PWR/GND – SIG)
Người ta thường sử dụng nó khi có nhiều linh kiện trên bảng mạch. Cấu trúc xếp chồng này đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu tốt. Hiệu suất EMI không tốt bằng. Bạn phải kiểm soát EMI bằng cách bố trí đường dẫn cẩn thận và các chi tiết khác.
Điểm chính:
- Đặt lớp mặt đất (ground plane) cạnh lớp tín hiệu (signal layer) có mật độ đường dẫn dày đặc nhất. Điều này giúp hấp thụ và giảm thiểu bức xạ.
- Cũng tăng diện tích bảng. Tuân thủ quy tắc 20H.
Đối với lớp xếp chồng thứ hai (GND – SIG/PWR – SIG/PWR – GND)
Người ta sử dụng thiết kế này khi mật độ chip thấp và khu vực chip có không gian cho các đường dẫn đồng nguồn. Trong thiết kế này, các lớp ngoài là các lớp đất và hai lớp trong là các lớp tín hiệu hoặc nguồn. Đường dẫn nguồn trên lớp tín hiệu được thực hiện bằng các đường dẫn rộng. Các đường dẫn rộng giúp giảm trở kháng đường dẫn nguồn và trở kháng tín hiệu microstrip. Các lớp đất ngoài có thể bảo vệ các tín hiệu bên trong khỏi việc phát xạ. Từ góc độ kiểm soát EMI, đây là cấu trúc PCB bốn lớp tốt nhất hiện có.
Điểm chính:
- Giữ khoảng cách giữa hai lớp tín hiệu hỗn hợp và nguồn điện bên trong lớn hơn.
- Đảm bảo các hướng dẫn định tuyến vuông góc với nhau giữa các lớp để tránh nhiễu chéo.
- Kiểm soát khu vực bảng điều khiển và tuân thủ quy tắc 20H.
- Nếu bạn cần kiểm soát trở kháng đường dẫn, hãy đặt các đường dẫn một cách cẩn thận dưới các vùng đồng nguồn và đất.
- Ngoài ra, hãy cố gắng kết nối các đường dẫn đồng trên các lớp nguồn hoặc đất càng nhiều càng tốt. Điều này giúp đảm bảo kết nối tốt cho dòng điện một chiều (DC) và tần số thấp.
2.3 Cấu trúc xếp lớp bảng mạch sáu lớp
Đối với các thiết kế có mật độ chip cao và tốc độ đồng hồ cao, hãy xem xét sử dụng bảng mạch sáu lớp. Hai cấu trúc lớp sáu lớp được khuyến nghị như sau:
Tùy chọn 1: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG
Với sơ đồ này, bạn sẽ có được độ toàn vẹn tín hiệu tốt. Mỗi lớp tín hiệu nằm sát với lớp đất. Các lớp nguồn và đất được ghép đôi. Bạn có thể kiểm soát trở kháng của mỗi lớp đường dẫn tín hiệu một cách hiệu quả. Cả hai lớp đất đều có khả năng hấp thụ từ thông tốt. Với các lớp nguồn và đất đầy đủ, mỗi lớp tín hiệu đều có đường dẫn trở lại tốt.
Tùy chọn 2: GND – SIG – GND – PWR – SIG – GND
Tùy chọn này phù hợp với các bo mạch có mật độ thiết bị không quá cao. Nó giữ nguyên các ưu điểm của tùy chọn đầu tiên. Ngoài ra, các lớp đất trên và dưới được liên tục hơn. Chúng hoạt động như các lớp chắn tốt.
Lưu ý: Đặt mặt phẳng nguồn gần phía không phải là mặt chính của linh kiện. Mặt phẳng dưới sẽ hoàn chỉnh hơn, và hiệu suất EMI sẽ tốt hơn so với tùy chọn đầu tiên.
Tóm tắt cho bảng mạch sáu lớp:
Giữ khoảng cách giữa các lớp nguồn và lớp đất nhỏ nhất có thể. Điều này giúp đạt được sự kết nối tốt giữa nguồn và đất. Trên bảng mạch có độ dày 62 mil, khoảng cách giữa các lớp nhỏ hơn so với các tùy chọn bốn lớp. Tuy nhiên, việc làm cho khoảng cách giữa các lớp nguồn chính và lớp đất rất nhỏ vẫn không dễ dàng. So với tùy chọn thứ hai, tùy chọn đầu tiên có chi phí thấp hơn. Vì vậy, chúng ta thường chọn hình thức đầu tiên cho cấu trúc lớp thực tế. Tuân thủ quy tắc 20H và quy tắc lớp gương trong thiết kế.
2.4 Cấu trúc xếp lớp bảng mạch 8 lớp
Bo mạch 8 lớp có nhiều cách xếp lớp khác nhau. Một số cách xếp lớp có thể gây ra vấn đề về EMI do khả năng hấp thụ kém và trở kháng công suất lớn. Dưới đây là ba dạng được mô tả:
Loại A (không tốt)
Biểu mẫu này có độ hấp thụ điện từ thấp hơn và trở kháng công suất lớn hơn. Thứ tự lớp của nó là:
- Dấu hiệu 1: phía linh kiện, lớp đường dẫn vi dải
- Tín hiệu 2: Lớp đường dẫn vi dải bên trong, lớp đường dẫn tốt (hướng X)
- Đất
- Dấu hiệu 3: Lớp định tuyến dải, lớp định tuyến tốt (hướng Y)
- Tín hiệu 4: Lớp định tuyến dải băng
- Công suất
- Tín hiệu 5: Lớp đường dẫn vi dải bên trong
- Tín hiệu 6: Lớp định tuyến microstrip
Biểu mẫu này không phải là lựa chọn tốt vì nó không cung cấp các tham chiếu nhất quán cho tất cả các lớp tín hiệu. Điện trở nguồn cao và khả năng kiểm soát nhiễu điện từ (EMI) yếu.
Loại B (biến thể có thêm các lớp tham chiếu)
Đây là một biến thể của loại thứ ba. Bằng cách thêm các lớp tham chiếu, hiệu suất EMI được cải thiện. Điện trở đặc trưng của mỗi lớp tín hiệu có thể được kiểm soát tốt. Một thứ tự khả thi là:
- Dấu hiệu 1: phía linh kiện, lớp đường dẫn vi dải, lớp đường dẫn tốt
- Mặt đất: khả năng hấp thụ sóng tốt
- Tín hiệu 2: Lớp định tuyến dải băng, lớp định tuyến tốt
- Công suất: Mặt phẳng công suất này và mặt đất bên dưới nó tạo thành một hệ thống hấp thụ điện từ tốt.
- Mặt đất: mặt phẳng mặt đất
- Dấu hiệu 3: Lớp định tuyến dải băng, lớp định tuyến tốt
- Công suất: Máy bay công suất này có trở kháng công suất lớn hơn.
- Dấu hiệu 4: Lớp đường dẫn vi dải, lớp đường dẫn tốt
Loại C (phương pháp tốt nhất)
Đây là dạng xếp chồng tốt nhất. Nó sử dụng nhiều mặt phẳng tham chiếu đất. Điều này mang lại khả năng hấp thụ điện từ rất tốt. Một thứ tự thông dụng là:
- Dấu hiệu 1: phía linh kiện, lớp đường dẫn vi dải, lớp đường dẫn tốt
- Mặt đất: khả năng hấp thụ sóng tốt
- Tín hiệu 2: Lớp định tuyến dải băng, lớp định tuyến tốt
- Công suất: Mặt phẳng công suất này và mặt đất bên dưới nó tạo thành một hệ thống hấp thụ điện từ tuyệt vời.
- Mặt đất: mặt phẳng mặt đất
- Dấu hiệu 3: Lớp định tuyến dải băng, lớp định tuyến tốt
- Mặt đất: mặt đất thứ hai, khả năng hấp thụ sóng tốt.
- Dấu hiệu 4: Lớp đường dẫn vi dải, lớp đường dẫn tốt
3. Cách chọn số lớp và cấu trúc xếp chồng
Chọn số lượng lớp và hình thức xếp chồng dựa trên nhiều yếu tố. Các yếu tố này bao gồm: số lượng mạng tín hiệu trên bảng mạch, mật độ linh kiện, mật độ chân cắm, tần số tín hiệu và kích thước bảng mạch. Cần xem xét tất cả các yếu tố này một cách tổng thể.
Ghi chú thiết kế:
- Nếu có nhiều mạng tín hiệu, hãy thiết kế với nhiều lớp hơn.
- Nếu mật độ linh kiện cao, hãy chọn nhiều lớp hơn.
- Nếu mật độ chân cắm cao, hãy chọn nhiều lớp hơn.
- Nếu tần số tín hiệu cao, hãy chọn nhiều lớp hơn.
- Để đạt được hiệu suất EMI tốt, hãy đảm bảo rằng mỗi lớp tín hiệu có lớp tham chiếu riêng. Lớp tham chiếu có thể là lớp đất hoặc lớp nguồn. Điều này giúp kiểm soát trở kháng và tạo ra các đường dẫn trở lại chặt chẽ. Các đường dẫn trở lại chặt chẽ làm giảm diện tích vòng lặp. Diện tích vòng lặp nhỏ hơn giúp giảm bức xạ và độ nhạy với nhiễu.
4. Những quy tắc đơn giản cần tuân thủ trong mọi thiết kế
- Cung cấp cho mỗi lớp định tuyến một mặt phẳng tham chiếu gần đó. Điều này giúp kiểm soát trở kháng và dòng điện trở lại.
- Kết nối các lớp nguồn và đất khi có thể. Giữ khoảng cách giữa các lớp nhỏ. Điều này làm tăng điện dung của lớp. Điện dung lớp cao giúp giảm nhiễu.
- Đặt lớp mặt đất (ground plane) cạnh lớp tín hiệu có đường dẫn dày đặc. Điều này giúp hấp thụ và ngăn chặn bức xạ.
- Sử dụng định tuyến vuông góc trên các lớp tín hiệu liền kề để giảm nhiễu chéo.
- Sử dụng đường dẫn rộng cho việc bố trí nguồn trên các lớp hỗn hợp để duy trì trở kháng đường dẫn nguồn ở mức thấp.
- Kết nối đồng trên các lớp nguồn và đất để đảm bảo kết nối DC mạnh mẽ và tần số thấp.
- Tuân thủ quy tắc 20H khi thiết lập khu vực bảng mạch và lưu ý các quy tắc thiết kế lớp gương.
- Trong các thiết kế có tốc độ cao hoặc mật độ cao, nên sử dụng bảng mạch sáu lớp hoặc tám lớp để mỗi lớp tín hiệu có thể có một lớp tham chiếu gần.
- Đối với thiết kế analog tần số thấp, mạch in một hoặc hai lớp có thể hoạt động nếu bạn giữ diện tích vòng lặp nhỏ và đặt lớp đất gần các tín hiệu.
- Khi có thể, hãy đặt các lớp nguồn và lớp đất gần nhau. Điều này giúp cải thiện khả năng cách ly và giảm nhiễu điện từ (EMI).
5. Lời kết
Lựa chọn cấu trúc lớp là một quyết định kỹ thuật hệ thống. Hãy xem xét đồng thời các yếu tố như mạng lưới, bố trí, vị trí linh kiện, số chân và tần số. Để cải thiện kiểm soát EMI và tín hiệu, hãy cung cấp cho mỗi lớp tín hiệu một tham chiếu rõ ràng gần đó. Sử dụng các lớp phẳng đôi và khoảng cách lớp phẳng hẹp khi có thể. Sử dụng nhiều lớp phẳng đất để đạt được khả năng hấp thụ điện từ tốt nhất trên các bo mạch nhiều lớp. Khi thiết kế, hãy cân bằng giữa chi phí và hiệu suất. Tuân thủ các quy tắc đơn giản trên và chọn cấu trúc lớp phù hợp với nhu cầu của bo mạch của bạn.
