Principio de disposición de capa de diseño laminado PCB y estructura laminada común

Antes de diseñar PCB multicapa placa, el diseñador debe determinar primero la estructura de la placa de circuito utilizada de acuerdo con la escala del circuito, el tamaño de la placa de circuito y los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC), es decir, para decidir si utilizar 4 capas, 6 capas o más capas de placas de circuito . Después de determinar el número de capas, determine dónde colocar las capas eléctricas internas y cómo distribuir las diferentes señales en estas capas. Esta es la elección de la estructura de pila de PCB multicapa.

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La estructura laminada es un factor importante que afecta el rendimiento EMC de las placas PCB y también es un medio importante para suprimir la interferencia electromagnética. Este artículo presenta el contenido relevante de la estructura de pila de placas PCB multicapa.

Después de determinar el número de capas de potencia, tierra y señal, la disposición relativa de las mismas es un tema que todo ingeniero de PCB no puede evitar;

El principio general de disposición de capas:

1. Para determinar la estructura laminada de una placa PCB multicapa, se deben considerar más factores. Desde la perspectiva del cableado, cuantas más capas, mejor será el cableado, pero el costo y la dificultad de la fabricación de placas también aumentarán. Para los fabricantes, si la estructura laminada es simétrica o no es el enfoque al que se debe prestar atención cuando se fabrican las placas PCB, por lo que la elección del número de capas debe considerar las necesidades de todos los aspectos para lograr el mejor equilibrio. Los diseñadores experimentados, después de completar el diseño previo de los componentes, se centrarán en el análisis del cuello de botella del cableado de la PCB. Combine con otras herramientas EDA para analizar la densidad de cableado de la placa de circuito; luego sintetice el número y los tipos de líneas de señal con requisitos especiales de cableado, como líneas diferenciales, líneas de señal sensibles, etc., para determinar el número de capas de señal; luego de acuerdo con el tipo de fuente de alimentación, aislamiento y antiinterferencias Los requisitos para determinar el número de capas eléctricas internas. De esta manera, se determina básicamente el número de capas de toda la placa de circuito.

2. La parte inferior de la superficie del componente (la segunda capa) es el plano de tierra, que proporciona la capa de blindaje del dispositivo y el plano de referencia para el cableado superior; la capa de señal sensible debe estar adyacente a una capa eléctrica interna (energía interna / capa de tierra), utilizando la película de cobre de capa eléctrica interna grande para proporcionar protección para la capa de señal. La capa de transmisión de señal de alta velocidad en el circuito debe ser una capa intermedia de señal e intercalada entre dos capas eléctricas internas. De esta manera, la película de cobre de las dos capas eléctricas internas puede proporcionar un blindaje electromagnético para la transmisión de señales de alta velocidad y, al mismo tiempo, puede limitar eficazmente la radiación de la señal de alta velocidad entre las dos capas eléctricas internas sin causar interferencia externa.

3. Todas las capas de señales están lo más cerca posible del plano de tierra;

4. Intente evitar dos capas de señal directamente adyacentes entre sí; Es fácil introducir diafonía entre capas de señal adyacentes, lo que da como resultado una falla en la función del circuito. Agregar un plano de tierra entre las dos capas de señal puede evitar efectivamente la diafonía.

5. La fuente de energía principal está lo más cerca posible de ella correspondientemente;

6. Tenga en cuenta la simetría de la estructura laminada.

7. Para el diseño de capas de la placa base, es difícil para las placas base existentes controlar el cableado paralelo de larga distancia. Para la frecuencia de funcionamiento a nivel de placa superior a 50 MHZ (consulte la situación por debajo de 50 MHZ, relájese adecuadamente), se recomienda organizar el principio:

La superficie del componente y la superficie de soldadura son un plano de tierra completo (blindaje); No hay capas de cableado paralelas adyacentes; Todas las capas de señal están lo más cerca posible del plano de tierra;

La señal clave es adyacente al suelo y no cruza la partición.

Nota: Al configurar las capas de PCB específicas, los principios anteriores deben dominarse de manera flexible. Basado en la comprensión de los principios anteriores, de acuerdo con los requisitos reales de la placa única, tales como: si se requiere una capa de cableado clave, fuente de alimentación, división del plano de tierra, etc., Determine la disposición de las capas y don ‘ Simplemente cópielo sin rodeos o consérvelo.

8. Múltiples capas eléctricas internas conectadas a tierra pueden reducir efectivamente la impedancia de tierra. Por ejemplo, la capa de señal A y la capa de señal B utilizan planos de tierra separados, lo que puede reducir eficazmente la interferencia de modo común.

La estructura en capas de uso común: tablero de 4 capas

A continuación, se utiliza un ejemplo de una placa de 4 capas para ilustrar cómo optimizar la disposición y combinación de varias estructuras laminadas.

Para los tableros de 4 capas de uso común, existen los siguientes métodos de apilamiento (de arriba a abajo).

(1) Siganl_1 (arriba), GND (Inner_1), POWER (Inner_2), Siganl_2 (abajo).

(2) Siganl_1 (Arriba), POWER (Inner_1), GND (Inner_2), Siganl_2 (Inferior).

(3) POTENCIA (Arriba), Siganl_1 (Interior_1), GND (Interior_2), Siganl_2 (Abajo).

Obviamente, la Opción 3 carece de un acoplamiento efectivo entre la capa de energía y la capa de tierra y no debería adoptarse.

Entonces, ¿cómo se deben seleccionar las opciones 1 y 2?

En circunstancias normales, los diseñadores elegirán la opción 1 como estructura del tablero de 4 capas. El motivo de la elección no es que no se pueda adoptar la Opción 2, sino que la placa PCB general solo coloca los componentes en la capa superior, por lo que es más apropiado adoptar la Opción 1.

Pero cuando los componentes deben colocarse en las capas superior e inferior, y el espesor dieléctrico entre la capa de energía interna y la capa de tierra es grande y el acoplamiento es deficiente, es necesario considerar qué capa tiene menos líneas de señal. Para la Opción 1, hay menos líneas de señal en la capa inferior y se puede usar una película de cobre de área grande para acoplarla con la capa POWER; por el contrario, si los componentes están principalmente dispuestos en la capa inferior, se debe utilizar la Opción 2 para hacer el tablero.

Si se adopta una estructura laminada, la capa de energía y la capa de suelo ya están acopladas. Teniendo en cuenta los requisitos de simetría, generalmente se adopta el esquema 1.

Tablero de 6 capas

Después de completar el análisis de la estructura laminada del tablero de 4 capas, a continuación se utiliza un ejemplo de la combinación de tablero de 6 capas para ilustrar la disposición y combinación del tablero de 6 capas y el método preferido.

(1) Siganl_1 (superior), GND (interior_1), Siganl_2 (interior_2), Siganl_3 (interior_3), potencia (interior_4), Siganl_4 (inferior).

La Solución 1 utiliza 4 capas de señal y 2 capas internas de potencia / tierra, con más capas de señal, lo que favorece el trabajo de cableado entre componentes, pero los defectos de esta solución también son más evidentes, que se manifiestan en los siguientes dos aspectos:

① El plano de potencia y el plano de tierra están muy separados y no están suficientemente acoplados.

② La capa de señal Siganl_2 (Inner_2) y Siganl_3 (Inner_3) son directamente adyacentes, por lo que el aislamiento de la señal no es bueno y la diafonía es fácil de producir.

(2) Siganl_1 (superior), Siganl_2 (interior_1), POWER (interior_2), GND (interior_3), Siganl_3 (interior_4), Siganl_4 (inferior).

Esquema 2 En comparación con el esquema 1, la capa de potencia y el plano de tierra están completamente acoplados, lo que tiene ciertas ventajas sobre el esquema 1, pero

Las capas de señal Siganl_1 (superior) y Siganl_2 (interior_1) y Siganl_3 (interior_4) y Siganl_4 (inferior) están directamente adyacentes entre sí. El aislamiento de la señal no es bueno y el problema de la diafonía no está resuelto.

(3) Siganl_1 (Superior), GND (Inner_1), Siganl_2 (Inner_2), POWER (Inner_3), GND (Inner_4), Siganl_3 (Inferior).

En comparación con el esquema 1 y el esquema 2, el esquema 3 tiene una capa de señal menos y una capa eléctrica interna más. Aunque las capas disponibles para el cableado se reducen, este esquema resuelve los defectos comunes del Esquema 1 y el Esquema 2.

① El plano de potencia y el plano de tierra están estrechamente acoplados.

② Cada capa de señal está directamente adyacente a la capa eléctrica interna y está efectivamente aislada de otras capas de señal, y la diafonía no es fácil de producir.

③ Siganl_2 (Inner_2) es adyacente a las dos capas eléctricas internas GND (Inner_1) y POWER (Inner_3), que se pueden utilizar para transmitir señales de alta velocidad. Las dos capas eléctricas internas pueden proteger eficazmente la interferencia del mundo exterior a la capa Siganl_2 (Inner_2) y la interferencia de Siganl_2 (Inner_2) al mundo exterior.

En todos los aspectos, el esquema 3 es obviamente el más optimizado. Al mismo tiempo, el esquema 3 también es una estructura laminada de uso común para tableros de 6 capas. A través del análisis de los dos ejemplos anteriores, creo que el lector tiene cierta comprensión de la estructura en cascada, pero en algunos casos, un determinado esquema no puede cumplir con todos los requisitos, lo que requiere considerar la prioridad de varios principios de diseño. Desafortunadamente, debido al hecho de que el diseño de la capa de la placa de circuito está estrechamente relacionado con las características del circuito real, el rendimiento antiinterferente y el enfoque del diseño de diferentes circuitos son diferentes, por lo que, de hecho, estos principios no tienen una prioridad determinada como referencia. Pero lo que es seguro es que el principio de diseño 2 (la capa de potencia interna y la capa de tierra deben estar estrechamente acopladas) debe cumplirse primero en el diseño, y si las señales de alta velocidad deben transmitirse en el circuito, entonces el principio de diseño 3 (capa de transmisión de señal de alta velocidad en el circuito) Debe ser la capa intermedia de señal e intercalada entre dos capas eléctricas internas) debe satisfacerse.

Tablero de 10 capas

Diseño típico de placa de 10 capas de PCB

La secuencia de cableado general es SUPERIOR – GND — capa de señal — capa de potencia — GND — capa de señal — capa de potencia — capa de señal — GND — BOTTOM

La secuencia de cableado en sí no es necesariamente fija, pero existen algunos estándares y principios para restringirla: por ejemplo, las capas adyacentes de la capa superior y la capa inferior utilizan GND para garantizar las características EMC de la placa única; por ejemplo, cada capa de señal usa preferiblemente la capa GND como plano de referencia; la fuente de alimentación utilizada en toda la placa única se coloca preferentemente sobre una pieza entera de cobre; los susceptibles, de alta velocidad, y preferían ir a lo largo de la capa interior del salto, etc.