Structure des couches des principes de sélection des couches de PCB et d'empilement

Après avoir terminé la pré-disposition des composants, il se concentrera sur l’analyse du goulot d’étranglement du câblage du PCB.Combiné avec d'autres outils EDA pour analyser la densité de câblage du circuit imprimé ;puis une combinaison d'exigences de câblage spéciales des lignes de signal telles que les lignes différentielles, les lignes de signal sensibles, etc., le nombre et le type pour déterminer le nombre de couches de la couche de signal ;puis en fonction du type d'alimentation, des exigences d'isolation et d'anti-brouillage pour déterminer le nombre de couches de la couche électrique interne.De cette façon, le nombre de couches de l’ensemble du circuit imprimé est essentiellement déterminé.

Après avoir déterminé le nombre de couches du circuit imprimé, l’étape suivante consiste à organiser raisonnablement l’ordre de placement des différentes couches du circuit.Dans cette étape, les facteurs à considérer sont principalement les deux points suivants.

(1) Distribution de couches de signaux spéciales.

(2) Répartition des couches de puissance et de terre.

Si le circuit imprimé comporte plus de couches, plus il y a de variétés de combinaisons de couches de signaux spéciales, de couches de masse et de couches d'alimentation électrique, plus il est difficile de déterminer quelle combinaison est optimale, mais les principes généraux sont les suivants.

(1) La couche de signal doit être adjacente à une couche d'alimentation interne (couche d'alimentation interne/terre), en utilisant le grand film de cuivre de la couche d'alimentation interne pour fournir un blindage à la couche de signal.

(2) Les couches d'alimentation interne et de terre doivent être étroitement couplées, c'est-à-dire que l'épaisseur diélectrique entre les couches d'alimentation interne et de terre doit prendre une valeur plus petite pour augmenter la capacité entre les couches d'alimentation et de terre et augmenter la fréquence de résonance.

(3) La couche de transmission de signal à grande vitesse dans le circuit doit être une couche intermédiaire de signal et prise en sandwich entre les deux couches de puissance internes.De cette manière, le film de cuivre des deux couches électriques internes peut fournir un blindage électromagnétique pour la transmission de signaux à grande vitesse, et également limiter efficacement le rayonnement des signaux à grande vitesse entre les deux couches électriques internes sans provoquer d'interférences avec le monde extérieur.

(4) Évitez deux couches de signaux directement adjacentes l'une à l'autre.Il est facile d’introduire une diaphonie entre des couches de signaux adjacentes, ce qui peut entraîner une défaillance du circuit.L'ajout d'un plan de masse entre deux couches de signaux peut efficacement éviter la diaphonie.

(5) Plusieurs couches électriques internes mises à la terre peuvent réduire efficacement l'impédance de la terre.Par exemple, l'utilisation de plans de masse séparés pour la couche de signal A et la couche de signal B peut réduire efficacement les interférences en mode commun.

(6) Tenir compte de la symétrie de la structure des couches.

Structures stratifiées couramment utilisées

Ce qui suit est un exemple de panneau à 4 couches pour illustrer comment privilégier l'agencement et la combinaison de diverses structures stratifiées.

Pour un panneau à 4 couches couramment utilisé, il existe les types d'empilement de couches suivants (de la couche supérieure à la couche inférieure).

(1) Siganl_1 (Haut), GND (Inner_1), POWER (Inner_2), Siganl_2 (Bas).

(2) Siganl_1 (en haut), POWER (Inner_1), GND (Inner_2), Siganl_2 (en bas).

(3) POWER (en haut), Siganl_1 (Inner_1), GND (Inner_2), Siganl_2 (en bas).

De toute évidence, les couches d’alimentation et de terre de l’option 3 manquent de couplage efficace et ne devraient pas être adoptées.

Alors, comment sélectionner l’option 1 et l’option 2 ?En règle générale, les concepteurs choisissent l'option 1 comme structure pour une carte à 4 couches.La raison de ce choix n'est pas que l'option 2 ne peut pas être utilisée, mais que les PCB placent généralement les composants uniquement sur la couche supérieure, l'option 1 est donc plus appropriée.Cependant, lorsque les composants doivent être placés à la fois sur les couches supérieure et inférieure, que l'épaisseur diélectrique entre les couches d'alimentation interne et la couche de masse est importante et que le couplage est médiocre, il est nécessaire de déterminer quelle couche possède le moins de lignes de signal.Pour l'option 1, la couche inférieure comporte moins de lignes de signal et une grande surface de film de cuivre peut être utilisée pour être couplée à la couche POWER ;à l'inverse, si les composants sont principalement disposés dans la couche inférieure, l'option 2 doit être choisie pour la carte.

Si la structure laminée est représentée sur la figure 11-1, alors les couches d'alimentation et de terre elles-mêmes ont été couplées, en tenant compte des exigences de symétrie, utilisation générale du schéma 1.

Après avoir terminé l'analyse de la structure stratifiée du panneau à 4 couches, voici un exemple de méthode de combinaison de panneaux à 6 couches pour illustrer l'agencement et la combinaison de la structure stratifiée du panneau à 6 couches et la méthode préférée.

(1) Siganl_1 (Haut), GND (Inner_1), Siganl_2 (Inner_2), Siganl_3 (Inner_3), POWER (Inner_4), Siganl_4 (Bas).

Le schéma 1 adopte 4 couches de signal et 2 couches d'alimentation/terre internes, avec plus de couches de signal, ce qui est propice au travail de câblage entre les composants, mais les défauts de ce schéma sont également plus évidents, comme le montrent les deux aspects suivants.

① Les couches d'alimentation et de terre sont très séparées et ne sont pas correctement couplées.

② Les couches de signal Siganl_2 (Inner_2) et Siganl_3 (Inner_3) sont directement adjacentes l'une à l'autre, et l'isolation du signal n'est pas bonne et la diaphonie est facile à se produire.

2) Siganl_1 (Haut), Siganl_2 (Inner_1), POWER (Inner_2), GND (Inner_3), Siganl_3 (Inner_4), Siganl_4 (Bas).

Le schéma 2 présente un avantage par rapport au schéma 1 dans la mesure où les couches d'alimentation et de terre sont correctement couplées, mais les problèmes des couches de signaux Siganl_1 (en haut) et Siganl_2 (Inner_1) et Siganl_3 (Inner_4) et Siganl_4 (en bas) sont directement adjacentes les unes aux autres. , avec une mauvaise isolation du signal et la susceptibilité à la diaphonie ne sont pas résolues.

(3) Siganl_1 (Haut), GND (Inner_1), Siganl_2 (Inner_2), POWER (Inner_3), GND (Inner_4), Siganl_3 (Bas).

Par rapport au schéma 1 et au schéma 2, le schéma 3 comporte une couche de signal en moins et une couche électrique interne supplémentaire.Bien que le nombre de couches disponibles pour le câblage soit réduit, le schéma résout les défauts communs aux schémas 1 et 2.

① Les couches d'alimentation et de terre sont étroitement couplées.

② Chaque couche de signal est directement adjacente à la couche électrique interne et il existe une isolation efficace de toutes les autres couches de signal, ce qui rend la diaphonie moins susceptible de se produire.

③ Siganl_2 (Inner_2) et les deux couches électriques internes GND (Inner_1) et POWER (Inner_3) sont adjacentes l'une à l'autre et peuvent être utilisées pour transmettre des signaux à grande vitesse.Les deux couches électriques internes peuvent protéger efficacement les interférences externes de la couche Siganl_2 (Inner_2) et le Siganl_2 (Inner_2) des interférences externes.

Sélection du plan de référence

Lorsque le signal à grande vitesse se propage sur la ligne de signal, dans le processus de propagation du signal vers l'avant, en raison de l'existence d'un couplage capacitif entre les plans de référence, lorsque dV/dt se produit, il y aura un phénomène selon lequel le courant circule vers la référence. plan à travers le condensateur de couplage, et la position sous la ligne de transmission aura un courant transitoire refluant vers le circuit source.

Lorsque la couche d'alimentation est utilisée comme plan de référence, le courant de retour du signal circule d'abord vers la couche d'alimentation, puis vers le réseau de terre via le Cpg entre l'alimentation et le réseau de terre, et enfin vers le circuit source. À travers la couche de terre, formant finalement une boucle d'alimentation complète.Il est très important de contrôler l'impédance de boucle des signaux à grande vitesse car elle affecte directement les caractéristiques de transmission du signal.

Théoriquement, comme pour les plans de masse, les couches de signaux de puissance peuvent être appliquées aux chemins de retour des signaux à faible impédance.En supposant une quantité suffisante de capacité de dérivation, la transmission du plan de puissance sera tout aussi bonne que la terre, et un plan de puissance et un plan de masse ou une ligne de transmission à ruban à deux plans de puissance fonctionneront.Cependant, lorsque le signal est référencé au plan d'alimentation, l'un des chemins de retour qui a le plus d'impact sur le signal est le canal capacitif entre l'alimentation Cpg et les réseaux de terre.Il peut s'agir d'une distribution complexe de capacité de découplage sur le réseau de terre d'alimentation, peut également contenir une capacité plate entre les plans de la couche de terre d'alimentation, en raison de la complexité de la composition, les caractéristiques d'impédance sont différentes à chaque point de fréquence, il est difficile à quantifier et à contrôler, il est donc difficile d'établir cette hypothèse.

Même si la couche de puissance est plus proche de la couche de signal, le signal de retour sera renvoyé à la couche de terre via la couche de puissance, car l'entrée du signal est basée sur la couche de terre comme couche de référence.Mais si le découplage n'est pas bien fait, l'impédance entre les couches d'alimentation et de terre sera grande, et alors le signal de retour sera soumis à une impédance importante.

La couche de puissance de référence du signal apportera la qualité du signal, l'impédance entre la couche de masse de l'alimentation est le principal facteur d'influence, plus la fréquence du signal est élevée, plus l'influence sera évidente.**Bien sûr, tous les signaux ne peuvent pas être référencés à l'alimentation, en particulier combien de fréquences, quels signaux peuvent être référencés à l'alimentation, en fonction de la conception réelle du PCB et de la situation réelle du réseau PDN, il est préférable utiliser un logiciel de simulation pour analyser et vérifier.

Certaines conceptions de signaux spécifient l'obligation de référencer leur propre couche d'alimentation électrique. Pourquoi ?

En effet, les signaux internes de la puce sont référencés à l'alimentation, il est donc préférable de référencer l'alimentation sur le PCB.Mais la plupart des puces dans la conception des signaux à grande vitesse sont référencées à la terre, donc dans la plupart des lignes directrices de conception de signaux à grande vitesse, il est recommandé de se référer à la terre, bien que dans la bande haute fréquence, les condensateurs de découplage de puissance présentent des caractéristiques de faible impédance. , puissance et performances de masse pour l'équipotentielle, mais par les condensateurs de découplage avec l'emplacement du problème peuvent augmenter la zone de retour du signal, affectant ainsi la qualité du signal, donc pour la majorité des signaux à grande vitesse, référence au statut de meilleur.