Hoe beeldvlakken te ontwerpen voor snelle PCB's

Tegenwoordig worden meerlagige PCB's gebruikt in de meeste high-speed circuitsystemen en veel circuitsystemen hebben tal van operationele vermogens, wat strenge eisen stelt aan het ontwerp van beeldvlakken, met name de afwikkeling van relaties tussen meerdere stroom-/grondvlakken. Bovendien moet een speciaal met koper bekleed oppervlak worden ontworpen op het ontwerp van de apparaatlaag om te voorkomen dat oscillatoren RF-energie (radiofrequentie) produceren en een uitstekende warmteafvoer te bieden voor componenten met een hoog vermogen.

Functies van beeldvlakken

Beeldvlakken zijn een met koper bekleed oppervlak dat grenst aan signaallagen in printplaten. De belangrijkste functies van beeldvlakken zijn:

1). Vermindert reflow-ruis en EMI (elektromagnetische interferentie). Beeldvlakken bieden paden met een lage impedantie voor signaalterugvloeiing, vooral wanneer er grote stroom vloeit in het stroomdistributiesysteem. Bovendien verkleinen ze het gesloten ringgebied dat wordt gevormd door signaal en reflow, zodat EMI daalt.

2). Regeling van overspraak tussen signaallijnen in een snel digitaal circuit. Overspraak wordt bepaald door de verhouding D/H waarin D verwijst naar de afstand tussen interferentiebron en gestoord object en H verwijst naar de hoogte van beeldvlakken tussen signaallagen. De verhouding D/H kan worden geregeld door de waarde van H te wijzigen, zodat de overspraak tussen signaallijnen uiteindelijk wordt geregeld.

3). Impedantie regelen. De karakteristieke impedantie van gedrukte bedrading is gerelateerd aan de breedte van draden en de hoogte tussen draden en beeldvlakken. Als er geen beeldvlak is, is het mogelijk dat de impedantie niet kan worden gecontroleerd, wat leidt tot het mislukken van transmissielijnaanpassing en signaalreflectie.

Daarnaast zijn beeldvlakken ook in staat om de ruis van reflectie naar buitenborden te beheersen. Erkend moet worden dat beeldvlakken alleen niet voldoende zijn voor de implementatie van die functies. strikte ontwerpregels moeten worden aangevuld om de verwachte doelen te bereiken. Dit feit kan worden gesteld als:om ruis in snelle digitale schakelingen te beheersen, zijn beeldvlakken essentieel, maar ze kunnen niet alleen werken.

Layer overslaan van signaalterugloop

In meerlagige PCB's moet elke lay-outlaag aangrenzend zijn aan één beeldvlak en het terugkerende circuit van signaalstromen op het overeenkomstige beeldvlak. Wanneer een signaallijn niet door een lay-outlaag gaat, is de gewone methode dat de eerste signaallijn wordt verbonden met een lay-outlaag en vervolgens wordt de signaallijn verbonden met een andere laag door middel van doorgaande gaten. Daarom springt de signaallijn van de ene laag naar de andere, dus de terugkerende stroom volgt hetzelfde pad. Wanneer beide lagen aardlagen zijn, kan terugkerende stroom overslaan door doorgaande gaten die twee lagen of aardpennen verbinden. Wanneer de ene laag een vermogenslaag is en de andere een grondlaag, is de enige mogelijkheid van terugkerende stroom om tussen lagen over te slaan de positie met geplaatste ontkoppelcondensator. Als er geen ontkoppelingscondensator of doorgaande gaten zijn die de aardlaag verbinden, moet overslaan worden gemaakt door stroom terug te sturen die de verste weg moet volgen, waardoor de teruggaande stroom wordt ontkoppeld met andere circuits, zodat overspraak en EMI worden veroorzaakt.

Dientengevolge, in het proces van PCB-ontwerp, moet het overslaan van lagen worden ingesteld op de grondpennen naast componenten of op zijn best rond de ontkoppelcondensator. Wanneer dit niet kan gebeuren, kan aarding door gaten (overslaan tussen twee aardlagen) of bypass-condensator (overslaan tussen een vermogenslaag en een aardlaag) op het overslagpunt worden geplaatst om de terugkerende stroom te laten overslaan.

Vlakken splitsen

Bij het gebruik van meerlaagse PCB's is het soms nodig om een ​​gebied zonder koperfolie met een bepaalde breedte te genereren, waarbij een geïntegreerd beeldvlak in verschillende onafhankelijke delen wordt gesplitst, wat splitsvlakken wordt genoemd.

Het splitsen van vlakken wordt meestal gebruikt om ruisverstorende gevoelige circuits te stoppen en verschillende referentiespanningen te isoleren, zoals het stoppen van digitale ruis die analoog, audio, I/O-gebied binnenkomt en isolatie tussen 5V en 3,3V voedingsspanningen.

Splitsvlakken kunnen worden ingedeeld in volledige splitsing en onvolledige splitsing. De eerste verwijst naar de volledige isolatie tussen stroomlagen en grondlagen na splitsing. Dit laatste verwijst naar de volledige isolatie tussen stroomlagen terwijl grondlagen zijn verbonden door "bruggen". Of volledige of onvolledige splitsing moet worden gebruikt, hangt af van of er een signaalverbinding is tussen splitsingsvlakken.

• Voorbeelden van splitsvlakken

Figuur 1 maakt deel uit van het ontwerp van beeldvlakken van een analoog en digitaal gemengd circuit van een testplatform. Analoge video-invoer wordt verzonden naar FPGA door de conversie van AD en uitvoer als DA-conversie. Zowel AD als DA gebruiken een onafhankelijke voedingscomponent voor het leveren van stroom. Digitale componenten nemen het grootste deel van de ruimte van het bord in beslag, terwijl analoge componenten slechts een klein deel uitmaken. Het zijn echter allemaal essentiële onderdelen die belangrijk zijn voor de prestaties van het hele systeem. Daarom moet er veel zorg worden besteed aan het omgaan met deze componenten. Het is ideaal dat de ruis van het digitale gedeelte niet in het analoge gedeelte komt. Sommige signalen van AD- en DA-converters zijn echter verbonden met FPGA of digitaal deel. Om de reflow van deze aangesloten signalen te garanderen, moeten digitale voeding en analoge voeding volledig geïsoleerd zijn, terwijl digitale aarde en analoge aarde onvolledig geïsoleerd moeten zijn, zodat de invloed van het analoge deel van het digitale deel tot een minimum wordt beperkt.

Alle lijnen van het digitale deel naar het analoge deel moeten door de brug gaan waarvan de openingsgrootte precies geschikt moet zijn voor het doorlaten van de vereiste draden, zodat het terugstromen van het datasignaal door de brug kan terugkeren, waardoor interferentie met andere signalen wordt vermeden. van kronkelende voor terugkerende pad. In dit PCB-ontwerp zijn de aardingen van het AD- en DA-gedeelte volledig van elkaar geïsoleerd.

• Enkele problemen bij het splitsen van vliegtuigen

a. Overlappende isolatielagen

In de meerlaagse PCB's worden meestal splitsvlakken gebruikt om verschillende vermogens te isoleren. In het algemeen zijn de overeenkomstige grondlagen van deze vermogens met elkaar geïsoleerd, dat wil zeggen dat elk vermogen zijn eigen referentielaag heeft. In het proces van PCB-ontwerp moet overlapping van isolatielagen worden vermeden. In de meeste meerlaagse PCB's zijn bijvoorbeeld de voedings- en aardlaag van het analoge deel en het digitale deel met elkaar geïsoleerd. Analoge stroomlaag en digitale grondlaag mogen elkaar niet overlappen in de ruimte, zoals in figuur 2.

Als er een overlappende isolatielaag verschijnt, verschijnt er een kleine padcapaciteit C1 in het overlappende gebied. De capaciteit zorgt ervoor dat RF-energie van de ene laag naar de andere geïsoleerde, statische en onafhankelijke laag wordt verzonden om de geldigheid van isolatie te verminderen.

b. Plaatsing van ontkoppelcondensator

Om de ruis met hoge frequentie die wordt gegenereerd door hogesnelheidscomponenten te filteren, zijn er veel ontkoppelcondensatoren op PCB's aangebracht. Als er splitsvlakken in PCB's uitkomen, zal tijdens het lay-outproces mogelijk een situatie ontstaan ​​dat massapennen van ontkoppelcondensator niet zijn verbonden met andere referentie-aardlagen in plaats van de bijbehorende grondlaag. Dit type fout zal mogelijk plaatsvinden en leidt tot de ruisontkoppeling van de ene laag naar de andere, wat vergelijkbaar is met overlappende splitsvlakken. Daarom moet dit probleem in de ontwerpfase worden aangepakt. Neem weer een digitaal analoog gemengd circuit als voorbeeld. Analoge stroom wordt vanuit het digitale deel binnengebracht via een ferrietkraal en C1 verwijst naar de ontkoppelingscapaciteit van het digitale deel. In figuur 3A zijn voedingspinnen van C1 verbonden met digitale stroom, terwijl aardingspinnen met analoge aarde, wat leidt tot de ontkoppeling van digitale ruis met hoge frequentie in een gevoelig analoog deel, wat een verkeerde verbinding is. Afbeelding 3B is een rechter ontkoppelcondensatoraansluiting.

c. Enkelpunts aarding

Wanneer referentielagen met verschillende vermogens met elkaar worden verbonden, moet een enkelpuntsaarding worden gegarandeerd. In de geïllustreerde digitale analoge gemengde schakeling worden printplaten geclassificeerd in digitaal deel en analoog deel en hebben zowel digitale aarde als analoge aarde ten minste twee aansluitpunten, zodat het ruissignaal mogelijk circulatie vormt tussen twee referentielagen via de twee aansluitpunten, wat genaamd "aardlus". Aardlus zal leiden tot ruis, EMI, energieverbruik en problemen met warmteafvoer. Er is een eenvoudige oplossing voor het probleem van de aardlus:zolang er maar één verbindingspunt is tussen referentielagen, kan er geen lus worden gevormd.

Lokale grondlagen

Als onderdeel van beeldvlakken verwijzen lokale grondlagen naar een koperen bekleding op het bovenoppervlak van PCB's, direct verbonden met de binnenste grondlaag. De belangrijkste functie is het opvangen van RF-magnetische flux die wordt gegenereerd door de binnenkant van enkele sleutelchips (bijvoorbeeld oscillatoren) of om te worden gebruikt voor vermogensdissipatie.

Om uitstekende prestaties te verkrijgen, moeten oscillatoren, kristallen en kloksteunen worden geassembleerd op een onafhankelijke lokale grondlaag. De redenen zijn onder meer:
1). Als de oscillator is verpakt in een metalen mantel, zal de RF-stroom die in de metalen mantel wordt gegenereerd, mogelijk zo groot zijn dat de aardpennen ervan de grote stroom niet naar de grond kunnen leiden met een methode van laag energieverbruik. Hierdoor wordt deze metalen bekleding een unipolaire antenne.
2). Als de montagetechniek voor oppervlaktemontage wordt gebruikt bij het plaatsen van de oscillator op PCB's, wordt het bovengenoemde probleem erger, omdat plastic materiaal meestal wordt gebruikt in SMT-verpakkingen, waardoor de RF-stroom die naar het aardingspunt wordt geleid, wordt gestopt. Ten slotte wordt de RF-stroom die in de verpakking wordt gegenereerd, naar de vrije ruimte uitgestraald en ontkoppeld met andere componenten.
3). Gewone oscillatoren zijn in staat klokbuffering aan te sturen die hoort bij componenten met een superhoge snelheid en hoge randsnelheid, waardoor een grote hoeveelheid RF-stroom wordt geproduceerd, wat mogelijk zal leiden tot het falen van de huidige functie.

Als een lokale grondlaag in het oscillator- en klokcircuit wordt geassembleerd, worden beeldvlakken verschaft, die worden gebruikt om de RF-energie op te vangen die wordt gegenereerd in de binnenkant van de oscillator en de bijbehorende circuits, zodat de RF-straling kan worden verminderd.

20-H-regel

Als empirische regel beschrijft de 20-H-regel dat in meerlaagse PCB's met een hoge dichtheid, om de elektromagnetische energie die door printplaten naar de vrije ruimte wordt uitgestraald te verminderen, de grootte van de vermogenslaag 20H kleiner moet zijn dan die van de grondlaag waarin H verwijst naar de afstand tussen de twee lagen. In figuur 4 geeft het linkerdeel de stroom/aardingslaag aan zonder een speciaal ontwerp waarin de randstraling zo sterk is dat deze de functies van het aangrenzende circuit zal beïnvloeden. Het rechterdeel geeft de RF-stralingssituatie aan door de grootte van het vermogensoppervlak met X-H te verkleinen. Het is te zien dat de grondlaag veel magnetische krachtlijnen aantrekt en de RF-stralingsenergie wordt verminderd. Volgens het resultaat van experimenten begint de RF-stralingskracht af te nemen van 10-H; in het geval van 20-H kan de grond 70% van de magnetische stroom aantrekken; in het geval van 100-H kan de magnetische kracht met 98% afnemen.

Natuurlijk is 20-H niet perfect voor alle PCB-structuren. De efficiëntie van 20-H hangt af van de werkfrequentie, de fysieke grootte van de stroom-/aardlaag en de afstand daartussen, waarvan de laatste twee elementen de SRF (zelfresonante frequentie) van de printplaat bepalen. Onderzoek wijst uit dat wanneer PCB op een SRF werkt, 20-H niet werkt en aarde ook geen stralingsenergie aantrekt. Wat erger is, in plaats daarvan zal er veel stralingsenergie worden gegenereerd. Daarom moet in het praktische hogesnelheidscircuit rekening worden gehouden met specifieke situaties bij de beslissing om al dan niet te kiezen voor de 20-H-regel.

Handige bronnen
• Tips voor snelle lay-out
• Technieken voor snelle PCB-routering om de invloed van EMI te verminderen
• Misverstanden en strategieën bij het ontwerpen van snelle PCB's
• Differentiële isometrisch Verwerking en simulatieverificatie van high-speed PCB-ontwerp
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk