PCB Blogu - Bir PCB kartı yığını nasıl tasarlanır

Bir PCB kartındaki her katman elektrik davranışını belirlemede belirli bir rol oynar. Sinyal düzlemi katmanları bileşenler arasında güç ve elektrik sinyallerini taşır, ancak bakır düzlemleri iç katmanlara doğru yerleştirmediğiniz sürece, doğru çalışmayabilirler. Sinyal katmanlarına ek olarak, PCB kartınızın da güç ve zemin düzlemlerine ihtiyacı var ve yeni kartın düzgün çalıştığından emin olmak için onları PCB kartı yığınına yerleştirmeniz gerekir. Güç, yer ve sinyal katmanları nereye yerleştirilir? Bu, PCB kartı tasarımında uzun süredir tartışmalardan biridir ve tasarımcıları kartlarının amaçlanan uygulamasını, bileşenlerin işlevselliğini ve kartdaki sinyal toleranslarını dikkatlice göz önünde bulundurmaya zorlar. Impedans varyasyonu, jitter, voltaj dalgalanması ve PDN impedansı ve çapraz konuşma reddedilmesinin sınırlarını anlarsanız, sinyal ve düzlem katmanlarının tahtaya yerleştirileceği doğru düzenini belirleyebilirsiniz. Tasarım niyetinizi hayata getirmek doğru PCB kartı tasarım araç setini gerektirir. Basit bir iki katmanlı tahta veya düzinelerce katmanlı yüksek hızlı bir PCB oluşturmak isterseniz, PCB tahta tasarım yazılımı herhangi bir uygulama için uygun olmalıdır.

Bir sinyal düzlemi yığını tanımlarken, giriş seviyesi tasarımcılar şeyleri aşırıya çıkarmaya eğilimli olabilirler. Sadece tahta başına iki katmana veya küçük dikiş başına özel bir katmana ihtiyaçları var. Doğru cevap, tahtada bulunan ağların sayısına, devredeki kabul edilebilir dalga / titreme seviyesine, karışık sinyallerin varlığına vb. bağlı olarak arasında bir yerdir. Genel olarak, konsept kanıtınız bir ekmek tahtasında iyi çalışırsa, iki katmanlı bir tahtada istediğiniz herhangi bir düzen tekniğini kullanabilirsiniz ve tahtanın çalışma şansı iyi. Birçok durumda, bir derecede EMI bastırma sağlamak için yüksek hızlı sinyaller için bir ızgara yerleştirme yöntemi kullanmanız gerekebilir. Yüksek hızlarda veya yüksek frekanslarda (veya her ikisinde de) çalışan daha karmaşık cihazlar için, bir güç düzlemi, bir yer düzlemi ve iki sinyal düzlemi de dahil olmak üzere en az dört PCB kartı yığınına ihtiyacınız olacaktır. Gerekli sinyal düzlemi katmanlarının sayısını belirlerken, ilk dikkate alınan şey sinyal ağlarının sayısı ve sinyaller arasındaki yaklaşık genişlik ve aralıktır. Bir yığında gereken sinyal katmanlarının sayısını tahmin etmeye çalışırken, alabileceğiniz iki temel adım vardır:

Net Sayımın Belirlenmesi: Kartta gereken sinyal katmanlarının sayısını tahmin etmek için şematik ve önerilen tahta boyutlarından basit bir net sayım kullanılabilir. Katman sayısı genellikle puan (net * izle genişliği) / (tahta genişliği) ile orantılıdır. Başka bir deyişle, daha geniş izleri olan daha fazla ağın tahtayı daha büyük yapması veya daha fazla sinyal katmanı kullanması gerekir. Belirli bir pano boyutunda tüm ağları barındırmak için gerekli olan sinyal katmanlarının tam sayısını belirlemek için buradaki deneyimi kullanmanız gerekir.

Uçak katmanlarınızı ekleyin: Sinyal katmanlarınız için kontrollü impedanslı yönlendirmeye ihtiyacınız varsa, şimdi her kontrollü impedanslı sinyal katmanı için referans katmanları yerleştirmeniz gerekir. Bileşenler yoğun bir şekilde paketlenmişse, bileşen katmanının altında bir güç düzlemi gerekir, çünkü yüzey katmanında güç raylarını yerleştirmek için yeterli alan yoktur. Bu, yüksek net değerli HDI kartları için gerekli olan iki haneli yüzey katmanları sayısına neden olabilir, ancak referans katmanı koruma ve tutarlı karakteristik impedansı sağlayacaktır. Çok katmanlı bir tahta için doğru katman sayısı belirlendikten sonra, PCB tahtası yığınında katman sayısını düzenlemeye geçebilirsiniz.

PCB yığını tasarlamak

PCB yığınlama tasarımında bir sonraki adım, her katmanı iz yolları sağlamak için düzenlemektir. Laminatlarınız genellikle yüksek sıcaklıkta montaj ve kullanım sırasında bükülmeyi önlemek için merkezi bir çekirdek etrafında simetrik olarak düzenlenir. Düz ve sinyal katmanlarının yerleştirilmesi, impedansla kontrol edilen yönlendirme için kritiktir, çünkü impedansın kontrol edildiğinden emin olmak için farklı iz yerleştirmeleri için belirli denklemler kullanmanız gerekir. Sert-flex yığınma tasarımları için, sert-flex bölgeleri için yığınmada farklı bölgeleri tanımlamanız gerekir. Allegro'daki katman yığını tasarım aracı bu süreci kolaylaştırır. Şema boş bir PCB kartı düzeni olarak yakalandıktan sonra, katman yığınları tanımlanabilir ve farklı katmanlardan geçişler tanımlanabilir. Daha sonra kontrol edilen impedanslı yönlendirme için gerekli iz boyutunu belirlemeye devam edebilirsiniz.

Stripline vs Microstrip ve Kontrollü Impedans

Impedansı kontrol etmek için, iki düz katman arasındaki iç katmada yönlendirilen izler şerit çizgisi impedansı denklemini kullanarak tasarlanmalıdır. Bu denklem, bir şerit çizgisinin belirli bir karakteristik impedansa değerine sahip olması için gereken geometriyi tanımlar. Denklemede impedansı belirlemek için üç farklı geometrik parametre olduğundan, önce gerekli katman sayısını belirlemek kolaydır, çünkü bu belirli bir tahta kalınlığı için katman kalınlığını belirleyecektir. İç sinyal düzlemi katmanları için bakır ağırlıkları tipik olarak 0,5 veya 1 oz./sq.. ft. Bu, belirli bir karakteristik impedansı belirlemek için bir parametre olarak iz genişliğini kullanır. Aynı süreç yüzey katmanındaki mikroşerit çizgileri için de geçerlidir. Katman kalınlığını ve bakır ağırlığını belirledikten sonra, sadece karakteristik impedansı tanımlayan iz genişliğini belirlemeniz gerekir. PCB kartı tasarım araçları, karakteristik impedanslarını tanımlamaları için izlerinizi boyutlamanıza yardımcı olabilecek bir impedansı hesaplayıcısı içerir. Diferensial çiftler kullanmanız gerekiyorsa, her katmadaki izleri diferansiyel çiftler olarak tanımlayın ve impedans hesaplayıcısı izler arasındaki doğru mesafeyi belirleyecektir. Gerçek kartta yönlendirildiğinde, kapasitif veya induktif olarak diğer izlere ve iletkenlere bağlanabilirler. Yakın iletkenlerden gelen parazitik kapasitans ve induktans, gerçek düzenlemedeki iz impedansını değiştirebilir. Yığındaki tüm katmanlar için impedansı hedefine ulaştığınızdan emin olmak için, seçilen sinyal ağı boyunca impedansı izlemek için bir impedansı analiz aracına ihtiyacınız var. PCB kartı düzeninde kabul edilemez derecede büyük değişiklikler görürseniz, hızlı bir şekilde izleri seçebilir ve bu impedansı değişikliklerini ortadan kaldırmak için yönlendirmeyi ayarlayabilirsiniz. İz boyunca büyük impedansı değişikliklerinin kırmızı renkle işaretlendiği yerler. Bu alandaki izler arasındaki aralık, bu impedansı değişikliğini ortadan kaldırmak veya kabul edilebilir toleranslar içinde getirmek için ayarlanmalıdır. Tasarım kurallarında istenen impedansı toleransını tanımlayabilirsiniz ve düzen sonrası impedansı hesaplayıcı aracı yönlendirmeyi istenen impedansı değerine göre kontrol edecektir. Yukarıdaki tartışmada, yalnızca dijital sinyallere baktık çünkü analog sistemlerden daha zorlu. Tüm analog veya karışık sinyal kartına ne dersiniz? Analog kartlar için güç bütünlüğü çok daha kolaydır, ancak sinyal bütünlüğü çok daha zor. Karışık sinyal kartları için yukarıda gösterilen dijital yaklaşımı burada açıklanan analog yaklaşımla birleştirmeniz gerekecektir.

Dijital bir sinyalin bant genişliği belirli bir yüksek frekansına kadar genişletilebilir, genellikle köşe frekansı ikili sinyalin frekansı olarak alınır. Köşe frekansı yaklaşık 0,35 / (yükseliş süresi) ve 1ns yükseliş süresi olan bir sinyal için köşe frekansı 350MHz'dir. Yaklaşık 20s'ye kadar daha hızlı dijital sinyaller için dizler frekansı şimdi 17.5GHz'e kadar uzanıyor. Analog sinyaller için bant genişliği çok daha dar, sadece güç düzlemi impedansı ve bu bant genişliği içindeki ekleme / geri dönüş kaybı hakkında endişelenmeniz gerekir. Bu, güç bütünlüğünü ve sinyal bütünlüğünü kolaylaştırır. Bu bant genişliğinin dışındaki sinyal zincirindeki herhangi bir kayıp veya yüksek PDN impedansı ihmal edilmezdir.

Sinyal izolasyonu

Başka bir seçenek daha agresif ve tahtanın farklı parçaları arasındaki izolasyonu sağlamak için topraklanmış bakır tozu veya çitler aracılığıyla kullanılmasını gerektirir. Analog izlerin yanında yere dökürseniz, yüksek izolasyona sahip ve yüksek frekanslı analog sinyalleri yönlendirmek için yaygın bir seçim olan bir koplanar dalga rehberi oluşturdunuz. Çitler veya diğer yüksek frekanslı iletken izolasyon yapıları kullanılacaksa, izolasyonu incelemek ve farklı sinyal katmanlarındaki izolasyonun seçilmesi gerektiğini belirlemek için elektromanyetik alan çözücüsü kullanılmalıdır.

Geri dönüş planı

Kartta analog ve dijital sinyallerin karıştırılması, zemin döngüsü kayma akımlarının izlenmesi ve dijital ve analog kart bölümleri arasındaki izolasyon konusunda sıkı gereksinimler koyar. Kartın düzeni, analog dönüş yollarının dijital bileşenlerin yakınında geçmemesini ve tersini sağlamalıdır. Bu, dijital ve analog sinyalleri, ilgili yeryüzü düzlemleri tarafından ayırılan farklı katmanlara ayırır. Bu, maliyet eklese de, farklı parçalar arasındaki izolasyonu sağlar. Analog bileşenler ayrıca AC gücünden çekiliyorsa özel analog güç şeritlerine de ihtiyaç duyabilir. Güç elektroniki dışında, bu nadir bir durumdur, ancak kavramsal olarak dönüş yolu planlamasını analiz edebildiğiniz sürece ele almak kolaydır. Analog güç bölümü yukarıda yerleştirilir ve dijital sinyal bölümünden ayrılırsa, her iki sinyale de tek bir güç düzlemi atanabilir. Geri dönüş yolu doğru planlanırsa farklı güç ve yer bölümleri arasındaki müdahale önlenebilir. Anahtarlama düzenleyicileri olan DC güç bölümleri için, dijital sinyallerin PCB kartındaki analog sinyallerden ayrılması gerektiği gibi, DC bölümünün anahtarlama gürültüsü AC bölümünden ayrılmalıdır.