ก่อนออกแบบ PCB หลายชั้น บอร์ด ผู้ออกแบบต้องกำหนดโครงสร้างแผงวงจรที่ใช้ตามมาตราส่วนของวงจร ขนาดแผงวงจร และข้อกำหนดความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ก่อน นั่นคือ ตัดสินใจว่าจะใช้แผงวงจร 4 ชั้น 6 ชั้น หรือหลายชั้น . หลังจากกำหนดจำนวนชั้นแล้ว ให้กำหนดตำแหน่งที่จะวางชั้นไฟฟ้าภายในและวิธีกระจายสัญญาณต่างๆ บนชั้นเหล่านี้ นี่คือทางเลือกของโครงสร้างสแต็ก PCB หลายชั้น

โครงสร้างลามิเนตเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพ EMC ของบอร์ด PCB และยังเป็นวิธีการสำคัญในการปราบปรามการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย บทความนี้จะแนะนำเนื้อหาที่เกี่ยวข้องของโครงสร้างสแต็คบอร์ด PCB หลายชั้น

หลังจากกำหนดจำนวนชั้นพลังงาน กราวด์ และสัญญาณแล้ว การจัดเรียงแบบสัมพันธ์กันนั้นเป็นหัวข้อที่วิศวกร PCB ทุกคนไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้

หลักการทั่วไปของการจัดเรียงชั้น:

1. ในการพิจารณาโครงสร้างลามิเนตของบอร์ด PCB แบบหลายชั้น จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยเพิ่มเติม จากมุมมองของการเดินสาย ยิ่งชั้นมาก การเดินสายยิ่งดี แต่ต้นทุนและความยากในการผลิตบอร์ดก็จะเพิ่มขึ้นด้วย สำหรับผู้ผลิต ไม่ว่าโครงสร้างลามิเนตจะสมมาตรหรือไม่ก็ตามคือจุดสนใจที่ต้องให้ความสนใจเมื่อทำการผลิตบอร์ด PCB ดังนั้น การเลือกจำนวนชั้นจึงต้องคำนึงถึงความต้องการของทุกด้านเพื่อให้ได้ความสมดุลที่ดีที่สุด สำหรับนักออกแบบที่มีประสบการณ์ หลังจากเสร็จสิ้นการจัดวางส่วนประกอบล่วงหน้าแล้ว พวกเขาจะเน้นที่การวิเคราะห์ปัญหาคอขวดในการเดินสาย PCB ใช้ร่วมกับเครื่องมือ EDA อื่นๆ เพื่อวิเคราะห์ความหนาแน่นของสายไฟของแผงวงจร จากนั้นสังเคราะห์จำนวนและประเภทของสายสัญญาณที่มีข้อกำหนดการเดินสายพิเศษ เช่น สายสัญญาณที่แตกต่างกัน สายสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อน ฯลฯ เพื่อกำหนดจำนวนชั้นสัญญาณ แล้วตามชนิดของแหล่งจ่ายไฟ การแยก และป้องกันการรบกวน ข้อกำหนดในการกำหนดจำนวนชั้นไฟฟ้าภายใน ด้วยวิธีนี้จะกำหนดจำนวนชั้นของแผงวงจรทั้งหมด

2. ด้านล่างของพื้นผิวส่วนประกอบ (ชั้นที่สอง) คือระนาบพื้น ซึ่งมีชั้นป้องกันอุปกรณ์และระนาบอ้างอิงสำหรับการเดินสายด้านบน ชั้นสัญญาณที่ละเอียดอ่อนควรอยู่ติดกับชั้นไฟฟ้าภายใน (ชั้นพลังงานภายใน/ชั้นกราวด์) โดยใช้ชั้นไฟฟ้าภายในขนาดใหญ่ ฟิล์มทองแดงเพื่อป้องกันชั้นสัญญาณ ชั้นการส่งสัญญาณความเร็วสูงในวงจรควรเป็นชั้นกลางของสัญญาณและประกบระหว่างชั้นไฟฟ้าภายในสองชั้น ด้วยวิธีนี้ ฟิล์มทองแดงของชั้นไฟฟ้าภายในทั้งสองชั้นสามารถให้การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับการส่งสัญญาณความเร็วสูง และในขณะเดียวกันก็สามารถจำกัดการแผ่รังสีของสัญญาณความเร็วสูงระหว่างชั้นไฟฟ้าภายในทั้งสองชั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ทำให้เกิด การรบกวนจากภายนอก

3. เลเยอร์สัญญาณทั้งหมดอยู่ใกล้กับระนาบพื้นมากที่สุด

4. พยายามหลีกเลี่ยงชั้นสัญญาณสองชั้นที่อยู่ติดกันโดยตรง มันง่ายที่จะแนะนำ crosstalk ระหว่างชั้นสัญญาณที่อยู่ติดกัน ส่งผลให้ฟังก์ชันวงจรล้มเหลว การเพิ่มระนาบกราวด์ระหว่างชั้นสัญญาณทั้งสองสามารถหลีกเลี่ยงการครอสทอล์คได้อย่างมีประสิทธิภาพ

5. แหล่งพลังงานหลักอยู่ใกล้ที่สุดเท่าที่จะทำได้

6. คำนึงถึงความสมมาตรของโครงสร้างลามิเนต

7. สำหรับเลย์เอาต์เลเยอร์ของมาเธอร์บอร์ดนั้นเป็นเรื่องยากสำหรับมาเธอร์บอร์ดที่มีอยู่เพื่อควบคุมการเดินสายทางไกลแบบขนาน สำหรับความถี่ในการทำงานระดับบอร์ดที่สูงกว่า 50MHZ (โปรดอ้างอิงสถานการณ์ที่ต่ำกว่า 50MHZ โปรดผ่อนคลายอย่างเหมาะสม) ขอแนะนำให้จัดหลักการ:

พื้นผิวส่วนประกอบและพื้นผิวการเชื่อมเป็นระนาบกราวด์ที่สมบูรณ์ (ชีลด์) ไม่มีเลเยอร์การเดินสายคู่ขนานที่อยู่ติดกัน เลเยอร์สัญญาณทั้งหมดอยู่ใกล้กับระนาบพื้นมากที่สุด

สัญญาณกุญแจอยู่ติดกับกราวด์และไม่ข้ามพาร์ทิชัน

หมายเหตุ: เมื่อตั้งค่าเลเยอร์ PCB เฉพาะ หลักการข้างต้นควรได้รับการฝึกฝนอย่างยืดหยุ่น ตามความเข้าใจในหลักการข้างต้น ตามความต้องการที่แท้จริงของบอร์ดเดี่ยว เช่น: ว่าจำเป็นต้องมีชั้นสายไฟหลัก แหล่งจ่ายไฟ การแบ่งระนาบพื้น ฯลฯ , กำหนดการจัดชั้น และไม่’ tเพียงแค่คัดลอกมันโผงผางหรือถือมัน

8. ชั้นไฟฟ้าภายในที่มีการลงกราวด์หลายชั้นสามารถลดอิมพีแดนซ์ของกราวด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ชั้นสัญญาณ A และชั้นสัญญาณ B ใช้ระนาบกราวด์แยกกัน ซึ่งสามารถลดการรบกวนของโหมดทั่วไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โครงสร้างชั้นที่ใช้กันทั่วไป:กระดาน 4 ชั้น

ข้อมูลต่อไปนี้ใช้ตัวอย่างของบอร์ด 4 ชั้นเพื่อแสดงวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเรียงและการผสมผสานของโครงสร้างลามิเนตต่างๆ

สำหรับบอร์ด 4 ชั้นที่ใช้กันทั่วไป มีวิธีการวางซ้อนดังต่อไปนี้ (จากบนลงล่าง)

(1) Siganl_1 (บน), GND (ชั้นใน_1), พลังงาน (ภายใน_2), Siganl_2 (ล่าง).

(2) Siganl_1 (บนสุด), POWER (ชั้นใน_1), GND (ชั้นใน_2), Siganl_2 (ล่างสุด)

(3) POWER (Top), Siganl_1 (Inner_1), GND (Inner_2), Siganl_2 (Bottom).

เห็นได้ชัดว่าตัวเลือก 3 ไม่มีการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพระหว่างชั้นพลังงานและชั้นพื้นดิน และไม่ควรนำมาใช้

แล้วควรเลือกแบบที่ 1 และ 2 อย่างไร?

Under normal circumstances, designers will choose option 1 as the structure of the 4-layer board. The reason for the choice is not that Option 2 cannot be adopted, but that the general PCB board only places components on the top layer, so it is more appropriate to adopt Option 1.

แต่เมื่อจำเป็นต้องวางส่วนประกอบบนทั้งชั้นบนและชั้นล่าง และความหนาของอิเล็กทริกระหว่างชั้นพลังงานภายในและชั้นพื้นดินมีขนาดใหญ่และการมีเพศสัมพันธ์ที่ไม่ดี จำเป็นต้องพิจารณาว่าชั้นใดมีสายสัญญาณน้อยกว่า สำหรับตัวเลือกที่ 1 มีสายสัญญาณที่ชั้นล่างน้อยกว่า และสามารถใช้ฟิล์มทองแดงพื้นที่ขนาดใหญ่ร่วมกับเลเยอร์ POWER ได้ ในทางกลับกัน หากส่วนประกอบส่วนใหญ่ถูกจัดเรียงไว้ที่ชั้นล่างสุด ควรใช้ตัวเลือกที่ 2 เพื่อสร้างบอร์ด

หากใช้โครงสร้างแบบลามิเนต ชั้นกำลังและชั้นกราวด์จะประกอบเข้าด้วยกันแล้ว เมื่อพิจารณาถึงข้อกำหนดของความสมมาตร โดยทั่วไปจะใช้แบบแผน 1

กระดาน 6 ชั้น

หลังจากเสร็จสิ้นการวิเคราะห์โครงสร้างลามิเนตของบอร์ด 4 ชั้นแล้ว ต่อไปนี้จะใช้ตัวอย่างของการรวมบอร์ด 6 ชั้นเพื่อแสดงการจัดเรียงและการรวมกันของบอร์ด 6 ชั้นและวิธีการที่ต้องการ

(1) Siganl_1 (บนสุด), GND (Inner_1), Siganl_2 (Inner_2), Siganl_3 (Inner_3), กำลัง (Inner_4), Siganl_4 (ล่างสุด)

โซลูชันที่ 1 ใช้ชั้นสัญญาณ 4 ชั้นและชั้นพลังงาน/กราวด์ภายใน 2 ชั้น โดยมีชั้นสัญญาณมากกว่า ซึ่งเอื้อต่อการเดินสายระหว่างส่วนประกอบต่างๆ แต่ข้อบกพร่องของโซลูชันนี้ก็ชัดเจนมากขึ้นเช่นกัน ซึ่งแสดงให้เห็นในสองลักษณะต่อไปนี้:

① ระนาบกำลังและระนาบพื้นอยู่ห่างกัน และไม่ได้เชื่อมต่อกันอย่างเพียงพอ

② เลเยอร์สัญญาณ Siganl_2 (Inner_2) และ Siganl_3 (Inner_3) อยู่ติดกันโดยตรง ดังนั้นการแยกสัญญาณจึงไม่ดีและการครอสทอล์คเกิดขึ้นได้ง่าย

(2) Siganl_1 (บนสุด), Siganl_2 (Inner_1), POWER (Inner_2), GND (Inner_3), Siganl_3 (Inner_4), Siganl_4 (ล่าง)

แบบแผน 2 เมื่อเปรียบเทียบกับแบบที่ 1 เลเยอร์กำลังและระนาบกราวด์จะเชื่อมต่อกันอย่างสมบูรณ์ ซึ่งมีข้อดีเหนือโครงร่าง 1 แต่

Siganl_1 (บนสุด) และ Siganl_2 (Inner_1) และ Siganl_3 (Inner_4) และเลเยอร์สัญญาณ Siganl_4 (ด้านล่าง) อยู่ติดกันโดยตรง การแยกสัญญาณไม่ดี และปัญหาของครอสทอล์คไม่ได้รับการแก้ไข

(3) Siganl_1 (บนสุด), GND (ชั้นใน_1), Siganl_2 (ชั้นใน_2), พลังงาน (ภายใน_3), GND (ชั้นใน_4), Siganl_3 (ล่างสุด)

เมื่อเทียบกับ Scheme 1 และ Scheme 2 Scheme 3 มีเลเยอร์สัญญาณน้อยกว่าหนึ่งเลเยอร์และเลเยอร์ไฟฟ้าภายในอีกหนึ่งชั้น แม้ว่าเลเยอร์ที่ใช้ได้สำหรับการเดินสายจะลดลง แต่โครงร่างนี้จะแก้ไขข้อบกพร่องทั่วไปของแบบที่ 1 และแบบที่ 2

① ระนาบกำลังและระนาบพื้นเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา

② แต่ละชั้นสัญญาณอยู่ติดกับชั้นไฟฟ้าภายในโดยตรง และแยกออกจากชั้นสัญญาณอื่น ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และการครอสทอล์คไม่เกิดขึ้นง่าย

③ Siganl_2 (Inner_2) อยู่ติดกับชั้นไฟฟ้าภายใน 1 ชั้น GND (Inner_3) และ POWER (Inner_2) ซึ่งสามารถใช้ส่งสัญญาณความเร็วสูงได้ ชั้นไฟฟ้าภายในสองชั้นสามารถป้องกันการรบกวนจากโลกภายนอกไปยังชั้น Siganl_2 (Inner_2) และสัญญาณรบกวนจาก Siganl_2 (Inner_XNUMX) สู่โลกภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในทุกแง่มุม เห็นได้ชัดว่าแผน 3 เป็นแผนที่เหมาะสมที่สุด ในขณะเดียวกัน แบบแผน 3 ยังเป็นโครงสร้างลามิเนตที่ใช้กันทั่วไปสำหรับบอร์ด 6 ชั้น จากการวิเคราะห์สองตัวอย่างข้างต้น ฉันเชื่อว่าผู้อ่านมีความเข้าใจบางอย่างเกี่ยวกับโครงสร้างการเรียงซ้อน แต่ในบางกรณี โครงร่างบางอย่างอาจไม่ตรงตามข้อกำหนดทั้งหมด ซึ่งต้องคำนึงถึงลำดับความสำคัญของหลักการออกแบบต่างๆ น่าเสียดาย เนื่องจากการออกแบบเลเยอร์ของแผงวงจรนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับลักษณะของวงจรจริง ประสิทธิภาพการป้องกันการรบกวนและการออกแบบที่เน้นการออกแบบของวงจรที่แตกต่างกันจึงแตกต่างกัน ดังนั้นตามจริงแล้วหลักการเหล่านี้ไม่มีลำดับความสำคัญที่กำหนดไว้สำหรับการอ้างอิง แต่สิ่งที่แน่นอนคือการออกแบบต้องตรงตามหลักการออกแบบ 2 (ชั้นพลังงานภายในและชั้นกราวด์ติดกัน) ก่อนในการออกแบบ และหากจำเป็นต้องส่งสัญญาณความเร็วสูงในวงจร หลักการออกแบบ 3 (ชั้นส่งสัญญาณความเร็วสูงในวงจร) ควรเป็นชั้นสัญญาณกลางและประกบระหว่างชั้นไฟฟ้าภายในสองชั้น)

กระดาน 10 ชั้น

การออกแบบบอร์ด PCB 10 ชั้นทั่วไป

ลำดับการเดินสายทั่วไปคือ TOP–GND—เลเยอร์สัญญาณ—เลเยอร์พลังงาน—GND—เลเยอร์สัญญาณ—เลเยอร์พลังงาน—เลเยอร์สัญญาณ—GND—ด้านล่าง

ลำดับการเดินสายไม่จำเป็นต้องคงที่ แต่มีมาตรฐานและหลักการบางอย่างที่จะจำกัด: ตัวอย่างเช่น เลเยอร์ที่อยู่ติดกันของชั้นบนสุดและชั้นล่างใช้ GND เพื่อให้แน่ใจว่าคุณลักษณะ EMC ของบอร์ดเดี่ยว ตัวอย่างเช่น แต่ละชั้นสัญญาณควรใช้ชั้น GND เป็นระนาบอ้างอิง แหล่งจ่ายไฟที่ใช้ในบอร์ดเดียวทั้งหมดจะถูกวางบนทองแดงทั้งชิ้น มีความอ่อนไหว ความเร็วสูง และชอบที่จะไปตามชั้นในของการกระโดดเป็นต้น