Blog de PCB - Cómo diseñar la pila de placas de PCB

Cada capa en el tablero de PCB juega un papel específico en la determinación del comportamiento eléctrico. Las capas del plano de la señal transmiten la fuente de alimentación y la señal eléctrica entre los componentes, pero pueden no funcionar correctamente a menos que el plano de cobre se coloque correctamente en la capa Interior. Además de la capa de señal, su placa de PCB también necesita una fuente de alimentación y un plano de tierra, y necesita colocarlas en la pila de placas de PCB para asegurarse de que la nueva placa funcione correctamente. ¿Entonces, ¿ dónde se colocan la capa de energía, la capa de tierra y la capa de señal? Este es uno de los debates de larga data en el diseño de la placa de pcb, que obliga a los diseñadores a considerar cuidadosamente la aplicación esperada de su placa, la función de los componentes y la tolerancia de señal en la placa. Si entiende las limitaciones de los cambios de resistencia, el temblor, las ondas de voltaje con la resistencia pdn y la supresión de comentarios, puede determinar la disposición correcta de las capas de señal y las capas planas que desea colocar en la placa. Convertir sus intenciones de diseño en realidad requiere el conjunto correcto de herramientas de diseño de placas de pcb. Ya sea que quiera crear una placa simple de dos capas o un PCB de alta velocidad con decenas de capas, el software de diseño de la placa de PCB necesita ser adecuado para cualquier aplicación.

Al definir la pila de planos de señal, los diseñadores de nivel básico pueden tender a empujar las cosas al extremo. Cada placa de circuito solo necesita dos capas, o cada pequeño pin solo necesita una capa. La respuesta correcta está entre los dos, dependiendo del número de redes en la placa de circuito, el nivel aceptable de onda / temblor en el circuito, la presencia de señales mixtas, etc. En general, si su verificación de concepto funciona bien en la placa de pan, puede usar cualquier tecnología de diseño que le guste en la placa de doble capa, y es muy probable que la placa funcione. en muchos casos, es posible que necesite usar el método de tierra de red para las señales de alta velocidad para proporcionar un cierto grado de inhibición emi. Para dispositivos más complejos que funcionen a alta velocidad o alta frecuencia (o ambos), necesitará apilar al menos cuatro placas de pcb, incluyendo un plano de alimentación, un plano de tierra y dos planos de señal. Al determinar el número de capas planas de señal necesarias, lo primero que se considera es el número de redes de señal y el ancho aproximado y la distancia entre las señales. Cuando intenta estimar el número de capas de señal necesarias en la pila, puede tomar dos pasos básicos:

Determinación del conteo neto: de acuerdo con el esquema y el tamaño propuesto de la placa de circuito, se puede utilizar un simple conteo neto para estimar el número de capas de señal necesarias en la placa de circuito. El número de capas suele ser proporcional a la puntuación (ancho de pista neto) / (ancho de la placa de circuito). En otras palabras, más redes con rastros más anchos necesitan hacer que la placa de circuito sea más grande o usar más capas de señal. Debe usar la experiencia aquí por defecto para determinar el número exacto de capas de señal necesarias para acomodar todas las redes bajo el tamaño dado de la placa.

Añadir capa plana: si necesita un cableado de resistencia controlado de la capa de señal, ahora necesita colocar una capa de referencia para cada capa de señal de Resistencia controlada. Si el componente está densamente empaquetado, es necesario instalar un plano de alimentación debajo de la capa del componente, ya que no hay suficiente espacio en la capa superficial para acomodar el riel de alimentación. Esto puede provocar que el número de capas superficiales necesarias para las placas HDI de alto valor neto alcance los dos dígitos, pero la capa de referencia proporcionará blindaje y una resistencia característica consistente. Una vez determinado el número correcto de capas en la pila de placas de varios pisos, puede seguir organizando el número de capas en la pila de placas de pcb.

Diseño de apilamiento de PCB

El siguiente paso en el diseño de apilamiento de PCB es organizar cada capa para proporcionar un camino de rastreo. Sus laminados suelen estar dispuestos simétricamente alrededor del núcleo central para evitar la deformación durante el montaje y manipulación a altas temperaturas. La colocación de planos y capas de señal es esencial para el cableado de control de impedancias, ya que necesita usar una ecuación específica para diferentes colocaciones de huellas para garantizar que la impedancia esté controlada. Para el diseño de apilamiento combinado rígido y suave, necesita definir diferentes áreas para las áreas combinadas rígidas y suaves en la pila. Las herramientas de diseño de pila de capas en Allegro facilitan este proceso. Después de capturar el esquema como un diseño de placa de circuito impreso en blanco, se puede definir la pila de capas y la transición entre diferentes capas. A continuación, puede seguir determinando el tamaño del rastro necesario para el cableado de Resistencia controlada.

Líneas de banda con MICROSTRIP e impedancias controlables

Para controlar la resistencia, se deben diseñar trazas de cableado en la capa interior entre dos capas planas utilizando la ecuación de resistencia de la línea de banda. La ecuación define la geometría necesaria para que la línea de banda tenga un valor de resistencia característico específico. Debido a que hay tres parámetros geométricos diferentes en la ecuación para determinar la resistencia, es fácil determinar primero el número de capas necesarias, ya que esto determinará el espesor de la capa para un espesor determinado de la placa. El peso del cobre en la capa plana de la señal interna suele ser de 0,5 o 1 onza por pie cuadrado. esto utiliza el ancho del rastro como parámetro para determinar una resistencia característica específica. El mismo proceso se aplica a las líneas de MICROSTRIP en la superficie. Después de determinar el grosor de la capa y el peso del cobre, solo necesita determinar el ancho del rastro que define la resistencia característica. La herramienta de diseño del tablero de PCB incluye una calculadora de resistencia que le ayuda a determinar el tamaño del rastro para definir su resistencia característica. Si se necesitan pares diferenciales, basta con definir los rastros en cada capa como pares diferenciales, y la calculadora de resistencia determinará la distancia correcta entre los rastros. Cuando se encadenan en la placa de circuito real, pueden acoplarse capacitivamente o inductivamente a otros rastros y conductores. La capacidad parasitaria y la inducción de los conductores cercanos cambiarán la resistencia de rastreo en el diseño real. Para asegurarse de que se cumplen los objetivos de resistencia de todas las capas de la pila, necesita una herramienta de análisis de resistencia para rastrear la resistencia de toda la red de señales seleccionadas. Si ves grandes cambios inaceptables en el diseño del tablero de pcb, puedes seleccionar rápidamente los rastros y ajustar el cableado para eliminar estos cambios de resistencia en la interconexión. Las grandes variaciones de resistencia a lo largo de la traza se marcan en rojo. el espaciamiento entre las trazas de la zona debe ajustarse para eliminar esta variación de resistencia o mantenerla dentro de límites de tolerancia aceptables. Puede definir la tolerancia de resistencia requerida en las reglas de diseño, y la herramienta de calculadora de resistencia después del diseño revisará el cableado de acuerdo con el valor de resistencia requerido. En la discusión anterior, solo estudiamos las señales digitales porque son más exigentes que los sistemas analógicos. ¿¿ qué tal un tablero de señal totalmente analógico o híbrido? Para los paneles analógicos, la integridad de la fuente de alimentación es mucho más fácil, pero la integridad de la señal es mucho más difícil. Para los paneles de señal híbridos, es necesario combinar los métodos digitales anteriores con los métodos analógicos descritos aquí.

El ancho de banda de las señales digitales se puede ampliar a una cierta frecuencia alta, generalmente la frecuencia de esquina se considera la frecuencia de las señales binarias. La frecuencia de la esquina es de aproximadamente 0,35 / (tiempo de subida), y para las señales con tiempo de subida de 1 ns, la frecuencia de la esquina es de 350 mhz. Para señales digitales más rápidas tan bajas como unos 20 ps, la frecuencia de la rodilla ahora se expande a 17,5 ghz. Para las señales analógicas, el ancho de banda es mucho más estrecho, y solo necesita preocuparse por la resistencia del plano de alimentación y la pérdida de inserción / eco dentro de ese ancho de banda. Esto facilita la integridad de la fuente de alimentación y la integridad de la señal. Cualquier pérdida o alta resistencia pdn en el enlace de señal fuera de este ancho de banda es insignificante.

Aislamiento de señales

La otra opción es más agresiva y requiere el uso de polvo de cobre de tierra o atravesar vallas para garantizar el aislamiento entre las diferentes partes de la placa de circuito. Si haces un vertido de tierra junto al rastro simulado, creas una guía de onda coplanar, que tiene un alto aislamiento y es una opción común para enrutar señales analógicas de alta frecuencia. Si se va a utilizar una valla u otra estructura de aislamiento conductor de alta frecuencia, se debe utilizar un Solucionador de campo electromagnético para comprobar el aislamiento y determinar si se debe seleccionar el aislamiento de diferentes capas de señal.

Plan de devolución

La mezcla de señales analógicas y digitales en el tablero plantea requisitos estrictos para rastrear la corriente de desplazamiento del Circuito de tierra y el aislamiento entre las partes del tablero digital y analógico. La disposición de la placa de circuito garantizará que los circuitos analógicos no se crucen cerca de los componentes digitales y viceversa. Esto solo separa las señales digitales y analógicas en diferentes capas separadas por sus respectivos planos de tierra. Aunque esto aumenta los costos, garantiza el aislamiento entre diferentes partes. Si los componentes analógicos son alimentados por una fuente de alimentación de ca, también pueden requerir placas de alimentación analógicas especiales. Fuera de los dispositivos electrónicos de potencia, es una situación rara, pero conceptualmente, siempre que puedas analizar la planificación de la ruta de retorno, es fácil manejarla. Si la parte de alimentación analógica se coloca aguas arriba y se separa de la parte de señal digital, un solo plano de alimentación se puede dedicar a estas dos señales. Si se planifica correctamente la ruta de retorno, se puede evitar la interferencia entre las diferentes fuentes de alimentación y la parte de tierra. Para la parte de alimentación de corriente continua con regulador de conmutación, el ruido del interruptor de la parte de corriente continua debe separarse de la parte de ca, al igual que la señal digital debe separarse de la señal analógica en el tablero de pcb.