Expert Handleiding: Image Planes Ontwerpen voor High-Speed PCBs

Tegenwoordig worden multilayer PCBs in de meeste high-speed circuitsystemen gebruikt en hebben veel circuitsystemen meerdere voedingsspanningen, wat strenge eisen stelt aan image planes ontwerp, met name de verhouding tussen meerdere power/ground planes. Bovendien moet speciaal koperbekled oppervlak op device-laag ontwerp worden ontworpen om oscillators te stoppen met produceren van RF (radiofrequentie) energie en uitstekende warmtedissipatie te bieden voor high-power componenten.

Functies van Image Planes

Image planes zijn een koperbekled oppervlak angrenzend aan signaallagen in printplaten. Hoofdfuncties:

1. Reflow-ruis en EMI (Elektromagnetische Interferentie) verminderen. Image planes bieden lage-impedantie paden voor signaal-reflow, vooral bij grote stroom in power-distributiesysteem. Ze verkleinen de gesloten lusoppervlakte gevormd door signaal en reflow, waardoor EMI daalt.
2. Crosstalk tussen signaallijnen in high-speed digitale circuits controleren. Crosstalk wordt bepaald door verhouding D/H: D = afstand tussen interferentiebron en geslachtoffer, H = hoogte van image planes tussen signaallagen. Door H te veranderen kan D/H worden gecontroleerd en crosstalk uiteindelijk beheerst.
3. Impedantie controleren. Karakteristieke impedantie van printsporen is gerelateerd aan spoorbreedte en hoogte tussen sporen en image planes. Zonder image plane kan impedantie onbeheersbaar zijn, leidend tot transmissielijn mismatching en signaalreflectie.

Bovendien kunnen image planes ruis van reflectie naar buitenborden controleren. Erken dat image planes alleen onvoldoende zijn; strikte ontwerperegels moeten worden aangevuld om doelen te bereiken. Feit: om ruis in high-speed digitale circuits te controleren, zijn image planes essentieel maar kunnen niet alleen werken.

Layer Skipping van Signaal Reflow

In multilayer PCBs moet elke layoutlaag aangrenzend zijn aan één image plane en de terugkeercircuit van het signaal vloeit op de bijbehorende image plane. Wanneer een signaallijn niet door een layoutlaag passeert, is de gewone methode: eerst signaallijn verbinden met een layoutlaag, dan via doorboorgaten met een andere laag. Dus signaallijn "springt" van de ene laag naar de andere, en de terugkeerstroom volgt hetzelfde pad. Als beide lagen ground-lagen zijn, kan terugkeerstroom springen via doorboorgaten die de twee lagen verbinden of ground-pennen. Als de ene laag power-laag is en de andere ground-laag, is de enige kans voor terugkeerstroom om te springen de positie met decoupling-condensator. Zonder decoupling-condensator of doorboorgaten die ground-laag verbinden, moet terugkeerstroom de verste weg volgen, wat ontkoppeling met andere circuits veroorzaakt en crosstalk en EMI tot gevolg heeft.

Daarom moet bij PCB-ontwerp layer skipping worden geplaatst bij ground-pennen nabij componenten of rondom decoupling-condensator. Als dit niet mogelijk is, kunnen ground-doorboorgaten (springen tussen twee ground-lagen) of bypass-condensator (springen tussen power- en ground-laag) op het springpunt worden geplaatst om terugkeerstroom te laten springen.

Splitting Planes

Bij gebruik van multilayer PCBs is het soms nodig een gebied zonder koperfolie met bepaalde breedte te creëren, een geïntegreerde image plane te splitsen in verschillende onafhankelijke delen: splitting planes.

Splitting planes wordt gebruikt om ruis te stoppen die gevoelige circuits beïnvloedt en verschillende referentie-spanningen te isoleren (bijv. digitale ruis uit analoge, audio, I/O gebied houden; isolatie tussen 5 V en 3,3 V power spanningen).

Splitting planes: complete splitting en incomplete splitting. Volledige isolatie tussen power- en ground-lagen na splitting = complete splitting. Volledige isolatie tussen power-lagen, ground-lagen verbonden door "bruggen" = incomplete splitting. Keuze hangt af of er signaalverbinding is tussen splitting planes.

Voorbeelden van Splitting Planes

Figuur 1: deel van image planes ontwerp van analoge/digitale gemengde circuit van testplatform. Video analoge input naar FPGA via AD-conversie, output als DA-conversie. AD en DA gebruiken onafhankelijke power-componenten. Digitale componenten innemen meeste ruimte, analoge slechts een klein deel, maar allebei essentieel voor systeemprestaties. Ideaal: digitale ruis binnendringt niet in analoge deel. Echter, signalen van AD/DA converters zijn verbonden met FPGA van digitaal deel. Om reflow van deze verbonden signalen te garanderen, moeten digitale power en analoge power volledig geïsoleerd zijn, terwijl digitale ground en analoge ground incompleet geïsoleerd zijn (via bruggen) om invloed te minimaliseren.

Alle lijnen van digitaal naar analoog moeten door de brug; opening moet net geschikt zijn voor benodigde draden, zodat data-signaal reflow via brug kan terugkeren, interferentie door omwegen voor terugkeercircuit vermijdend. In dit ontwerp zijn grounds van AD en DA deel volledig geïsoleerd van elkaar.

Problemen bij Splitting Planes

a. Overlappende isolatielagen

In multilayer PCBs worden splitting planes gebruikt om verschillende powers te isoleren. Over het algemeen zijn de bijbehorende ground-lagen van deze powers onderling geïsoleerd (elke power heeft eigen referentielaag). Bij PCB-ontwerp moet overlapping van isolatielagen worden vermeden. Bijv. in meeste multilayer PCBs zijn power- en ground-laag van analoge en digitale deel geïsoleerd. Analog power-laag en digitale ground-laag mogen niet in ruimte overlappen (Figuur 2).

Bij overlapping ontstaat kleine pad-capaciteit C1 in overlappingsgebied. Capaciteit laat RF-energie van de ene naar de andere geïsoleerde, statische, onafhankelijke laag overgaan, wat isolatiegeldigheid vermindert.

b. Decoupling-condensator plaatsing

Om high-frequentieruis van high-speed componenten te filteren, worden veel decoupling-condensators op PCBs geplaatst. Als splitting planes optreden, kan bij layout een situatie ontstaan dat ground-pennen van decoupling-condensator niet met andere referentie-ground-lagen verbonden zijn, maar met de bijbehorende ground-laag. Deze fout kan leiden tot ruis-ontkoppeling van de ene naar de andere laag, vergelijkbaar met splitting planes overlapping. Dit moet in ontwerpfase worden opgelost. Voorbeeld digitaal-analoge gemengde circuit: analoge power wordt via ferrietkern uit digitaal deel gebracht; C1 = decoupling-capaciteit van digitaal deel. In Figuur 3A: power-pennen C1 met digitale power, ground-pennen met analoge ground → verkeerde verbinding (digitale high-frequentieruis in gevoelig analoog deel). Figuur 3B = juiste verbinding.

c. Enkelpunt grounding

Wanneer referentielagen van verschillende powers verbonden worden, moet enkelpunt grounding gegarandeerd zijn. In voorbeeld digitaal-analoge gemengde circuit: borden in digitaal en analoog deel; zowel digitale ground als analoge ground hebben minstens twee verbindingspunten → ruissignaal kan circulatie vormen tussen twee referentielagen via twee verbindingspunten = "ground loop". Ground loop leidt tot ruis, EMI, energieverbruik, warmtedissipatieproblemen. Oplossing: slechts één verbindingspunt tussen referentielagen → geen lus mogelijk.

Lokale Ground Lagen

Als deel van image planes verwijzen lokale ground-lagen naar koperbekleding op bovenzijde van PCBs, direct verbonden met binnenste ground-laag. Hoofdfunctie: RF-magnetische flux opvangen gegenereerd binnenin sleutelchips (bijv. oscillators) of voor warmtedissipatie.

Voor uitstekende prestaties moeten oscillators, kristallen en clock-ondersteuning op een onafhankelijke lokale ground-laag worden gemonteerd. Redenen:

1. Als oscillator in metalen behuizing verpakt is, kan RF-stroom binnenin zo groot zijn dat ground-pennen falen om grote stroom met lage energieverbruik naar ground te leiden. Metalen behuizing wordt unipolaire antenne.
2. Bij SMT-montage van oscillator op PCBs wordt probleem erger: plastic materiaal in SMT-verpakking stopt RF-stroom naar ground-punt. RF-stroom binnenin verpakking wordt in vrije ruimte gestraald en ontkoppelt met andere componenten.
3. Gewone oscillators kunnen clock-buffering aansturen (super high-speed componenten met snelle flank), produceren grote hoeveelheid RF-stroom, wat leidt tot stroomfunctiefout.

Als een lokale ground-laag in oscillator en clock-circuit wordt gemonteerd, bieden image planes vangnet voor RF-energie gegenereerd binnenin oscillator en bijbehorende circuits, waardoor RF-straling afneemt.

20-H Regel

Als empirische regel: in multilayer PCBs met hoge dichtheid, om elektromagnetische energie gestraald naar vrije ruimte te verminderen, moet de grootte van power-laag 20H kleiner zijn dan ground-laag, waarbij H = afstand tussen de twee lagen. In Figuur 4: linkerdeel = power/ground zonder speciaal ontwerp (sterke randstraling, beïnvloedt aangrenzende circuits); rechterdeel = RF-straling na verkleining power-oppervlak met X-H. Ground-laag trekt veel magnetische krachtlijnen aan; RF-stralingenergie daalt. Experimenten: RF-stralingkracht daalt vanaf 10-H; bij 20-H trekt ground 70% van magnetische flux aan; bij 100-H daalt magnetische kracht met 98%.

20-H is niet perfect voor alle PCB-structuren. Efficiëntie hangt af van bedrijsfrequentie, fysieke grootte van power/ground-laag en afstand ertussen (laatste twee bepalen SRF = self-resonant frequentie). Onderzoek: wanneer PCB op elke SRF werkt, werkt 20-H niet en ground trekt geen stralingenergie aan; erger: veel stralingenergie wordt gegenereerd. In praktische high-speed circuits moeten specifieke situaties worden overwogen bij keuze voor 20-H regel.

Nuttige bronnen:
• High-Speed Layout Tips
• High-Speed PCB Routing Technieken om EMI-invloed te verminderen
• Misverstanden en Strategieën op High-Speed PCB-ontwerp
• Differentiële Isometrische Verwerking en Simulatieverificatie van High-Speed PCB-ontwerp
• Full Feature PCB Fabricageservice van PCBCart – Meerdere Value-added opties
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart – Start vanaf 1 stuk