Trước khi thiết kế PCB nhiều lớp bo mạch, nhà thiết kế trước tiên cần xác định cấu trúc bảng mạch được sử dụng theo yêu cầu về quy mô mạch, kích thước bảng mạch và khả năng tương thích điện từ (EMC), nghĩa là, để quyết định sử dụng bảng mạch 4 lớp, 6 lớp hay nhiều lớp hơn. . Sau khi xác định số lớp, hãy xác định vị trí đặt các lớp điện bên trong và cách phân phối các tín hiệu khác nhau trên các lớp này. Đây là sự lựa chọn của cấu trúc ngăn xếp PCB nhiều lớp.

Cấu trúc nhiều lớp là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất EMC của bo mạch PCB, và nó cũng là một phương tiện quan trọng để ngăn chặn nhiễu điện từ. Bài viết này giới thiệu nội dung liên quan về cấu trúc ngăn xếp bảng mạch PCB nhiều lớp.

After determining the number of power, ground and signal layers, the relative arrangement of them is a topic that every PCB engineer cannot avoid;

Nguyên tắc chung của việc sắp xếp lớp:

1. Để xác định cấu trúc nhiều lớp của bảng mạch PCB nhiều lớp, cần phải xem xét nhiều yếu tố hơn. Từ quan điểm của hệ thống dây điện, càng nhiều lớp, hệ thống dây điện càng tốt, nhưng chi phí và độ khó chế tạo bảng cũng sẽ tăng lên. Đối với các nhà sản xuất, cấu trúc nhiều lớp có đối xứng hay không là trọng tâm cần được chú ý khi sản xuất bo mạch PCB, vì vậy việc lựa chọn số lượng lớp cần phải xem xét nhu cầu về mọi mặt để đạt được sự cân bằng tốt nhất. Đối với những nhà thiết kế có kinh nghiệm, sau khi hoàn thành việc bố trí trước các thành phần, họ sẽ tập trung vào việc phân tích điểm nghẽn của hệ thống dây điện PCB. Kết hợp với các công cụ EDA khác để phân tích mật độ dây của bảng mạch; sau đó tổng hợp số lượng và chủng loại đường tín hiệu có yêu cầu đi dây đặc biệt như đường vi sai, đường tín hiệu nhạy,… để xác định số lớp tín hiệu; thì theo loại nguồn cấp, cách ly và chống nhiễu Các yêu cầu xác định số lớp điện bên trong. Bằng cách này, về cơ bản số lớp của toàn bộ bảng mạch được xác định.

2. The bottom of the component surface (the second layer) is the ground plane, which provides the device shielding layer and the reference plane for the top wiring; the sensitive signal layer should be adjacent to an internal electrical layer (internal power/ground layer), using the large internal electrical layer Copper film to provide shielding for the signal layer. The high-speed signal transmission layer in the circuit should be a signal intermediate layer and sandwiched between two inner electrical layers. In this way, the copper film of the two inner electric layers can provide electromagnetic shielding for high-speed signal transmission, and at the same time, it can effectively limit the radiation of the high-speed signal between the two inner electric layers without causing external interference.

3. Tất cả các lớp tín hiệu càng gần mặt đất càng tốt;

4. Cố gắng tránh hai lớp tín hiệu trực tiếp liền kề nhau; rất dễ tạo ra nhiễu xuyên âm giữa các lớp tín hiệu liền kề, dẫn đến lỗi chức năng mạch. Thêm một mặt đất giữa hai lớp tín hiệu có thể tránh nhiễu xuyên âm một cách hiệu quả.

5. Nguồn điện chính càng gần nguồn điện tương ứng càng tốt;

6. Tính đến tính đối xứng của cấu trúc nhiều lớp.

7. Đối với cách bố trí lớp của bo mạch chủ, rất khó để các bo mạch chủ hiện tại có thể điều khiển hệ thống dây đường dài song song. Đối với tần số hoạt động cấp bo mạch trên 50MHZ (tham khảo tình huống dưới 50MHZ, vui lòng giãn cách thích hợp), nên sắp xếp theo nguyên tắc:

Bề mặt linh kiện và bề mặt hàn là một mặt phẳng hoàn chỉnh (tấm chắn); Không có lớp dây song song liền kề; Tất cả các lớp tín hiệu càng gần mặt phẳng đất càng tốt;

Tín hiệu chính tiếp giáp với mặt đất và không vượt qua vách ngăn.

Lưu ý: Khi thiết lập các lớp PCB cụ thể, cần nắm vững các nguyên tắc trên một cách linh hoạt. Dựa trên sự hiểu biết về các nguyên tắc trên, theo yêu cầu thực tế của bảng đơn, chẳng hạn như: có cần lớp dây chính, nguồn điện, phân chia mặt phẳng đất, v.v. hay không, hãy xác định cách sắp xếp của các lớp, và don ‘ t chỉ sao chép nó một cách thẳng thừng, hoặc giữ chặt nó.

8. Nhiều lớp điện bên trong được nối đất có thể làm giảm trở kháng nối đất một cách hiệu quả. Ví dụ, lớp tín hiệu A và lớp tín hiệu B sử dụng các mặt đất riêng biệt, có thể làm giảm nhiễu phương thức chung một cách hiệu quả.

Cấu trúc phân lớp thường được sử dụng: bảng 4 lớp

Sau đây sử dụng một ví dụ về bảng 4 lớp để minh họa cách tối ưu hóa việc sắp xếp và kết hợp các cấu trúc nhiều lớp khác nhau.

Đối với ván 4 lớp thường được sử dụng, có các cách xếp như sau (từ trên xuống dưới).

(1) Siganl_1 (Trên cùng), GND (Bên trong 1), POWER (Bên trong 2), Siganl_2 (Dưới cùng).

(2) Siganl_1 (Trên cùng), POWER (Bên trong 1), GND (Bên trong 2), Siganl_2 (Dưới cùng).

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

Rõ ràng, Phương án 3 thiếu sự kết hợp hiệu quả giữa lớp nguồn và lớp đất và không nên được áp dụng.

Khi đó phương án 1 và 2 nên chọn như thế nào?

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.

Nhưng khi các linh kiện cần đặt ở cả lớp trên và lớp dưới, và độ dày điện môi giữa lớp nguồn bên trong và lớp đất lớn và ghép nối kém thì cần xem xét lớp nào có ít đường tín hiệu hơn. Đối với Tùy chọn 1, có ít đường tín hiệu hơn ở lớp dưới cùng và một màng đồng có diện tích lớn có thể được sử dụng để ghép nối với lớp POWER; ngược lại, nếu các thành phần chủ yếu được bố trí ở lớp dưới cùng thì nên sử dụng Phương án 2 để làm bo mạch.

Nếu một cấu trúc nhiều lớp được sử dụng, thì lớp nguồn và lớp đất đã được ghép nối. Xem xét các yêu cầu về tính đối xứng, sơ đồ 1 thường được chấp nhận.

Bảng 6 lớp

Sau khi hoàn thành việc phân tích cấu trúc nhiều lớp của ván 4 lớp, phần dưới đây sử dụng một ví dụ về sự kết hợp ván 6 lớp để minh họa sự sắp xếp và kết hợp của ván 6 lớp và phương pháp ưa thích.

(1) Siganl_1 (Trên cùng), GND (Bên trong_1), Siganl_2 (Bên trong_2), Siganl_3 (Bên trong_3), nguồn (Bên trong_4), Siganl_4 (Dưới cùng).

Giải pháp 1 sử dụng 4 lớp tín hiệu và 2 lớp nguồn / đất bên trong, với nhiều lớp tín hiệu hơn, thuận lợi cho việc đấu dây giữa các linh kiện, tuy nhiên khuyết điểm của giải pháp này cũng rõ ràng hơn, thể hiện ở hai khía cạnh sau:

① Mặt phẳng công suất và mặt phẳng tiếp đất cách xa nhau và chúng không được ghép nối đầy đủ.

② Lớp tín hiệu Siganl_2 (Bên trong_2) và Siganl_3 (Bên trong_3) nằm sát nhau trực tiếp nên khả năng cách ly tín hiệu không tốt và dễ xảy ra hiện tượng xuyên âm.

(2) Siganl_1 (Trên cùng), Siganl_2 (Bên trong_1), POWER (Bên trong_2), GND (Bên trong_3), Siganl_3 (Bên trong_4), Siganl_4 (Dưới cùng).

Sơ đồ 2 So với sơ đồ 1, lớp công suất và mặt phẳng đất được ghép nối hoàn toàn, điều này có những ưu điểm nhất định so với sơ đồ 1, nhưng

Các lớp tín hiệu Siganl_1 (Trên cùng) và Siganl_2 (Bên trong_1) và Siganl_3 (Bên trong_4) và Siganl_4 (Dưới cùng) nằm trực tiếp liền kề với nhau. Việc cách ly tín hiệu không tốt, và vấn đề xuyên âm không được giải quyết.

(3) Siganl_1 (Trên cùng), GND (Bên trong_1), Siganl_2 (Bên trong_2), POWER (Bên trong_3), GND (Bên trong_4), Siganl_3 (Dưới cùng).

So với Sơ đồ 1 và Sơ đồ 2, Sơ đồ 3 có ít lớp tín hiệu hơn và một lớp điện bên trong nhiều hơn. Mặc dù các lớp có sẵn để đi dây được giảm bớt, nhưng sơ đồ này giải quyết được các khuyết điểm phổ biến của Sơ đồ 1 và Sơ đồ 2.

① Mặt phẳng nguồn và mặt phẳng tiếp đất được ghép nối chặt chẽ.

② Mỗi lớp tín hiệu tiếp giáp trực tiếp với lớp điện bên trong, và được cách ly hiệu quả với các lớp tín hiệu khác, và không dễ xảy ra nhiễu xuyên âm.

③ Siganl_2 (Bên trong_2) tiếp giáp với hai lớp điện bên trong GND (Bên trong_1) và POWER (Bên trong_3), có thể được sử dụng để truyền tín hiệu tốc độ cao. Hai lớp điện bên trong có thể che chắn hiệu quả nhiễu từ thế giới bên ngoài đến lớp Siganl_2 (Bên trong_2) và nhiễu từ Siganl_2 (Bên trong_2) ra thế giới bên ngoài.

Trong tất cả các khía cạnh, sơ đồ 3 rõ ràng là tối ưu hóa nhất. Đồng thời, sơ đồ 3 cũng là kết cấu ghép thanh thường được sử dụng cho ván 6 lớp. Qua phân tích hai ví dụ trên, tôi tin rằng người đọc đã hiểu nhất định về cấu trúc tầng, tuy nhiên trong một số trường hợp, một sơ đồ nào đó không thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu, đòi hỏi phải xem xét mức độ ưu tiên của các nguyên tắc thiết kế khác nhau. Thật không may, do thực tế là thiết kế lớp bảng mạch có liên quan chặt chẽ đến các đặc tính của mạch thực tế, hiệu suất chống nhiễu và trọng tâm thiết kế của các mạch khác nhau là khác nhau, vì vậy trên thực tế, các nguyên tắc này không có mức độ ưu tiên xác định để tham khảo. Nhưng điều chắc chắn là nguyên tắc thiết kế 2 (lớp nguồn bên trong và lớp nối đất phải được kết hợp chặt chẽ với nhau) cần phải được đáp ứng đầu tiên trong thiết kế, và nếu tín hiệu tốc độ cao cần được truyền trong mạch, thì nguyên tắc thiết kế 3 (lớp truyền tín hiệu tốc độ cao trong mạch) Phải là lớp trung gian tín hiệu và được kẹp giữa hai lớp điện bên trong) phải thỏa mãn.

Bảng 10 lớp

PCB thiết kế bảng 10 lớp điển hình

Trình tự đi dây chung là TOP – GND — lớp tín hiệu — lớp nguồn — GND — lớp tín hiệu — lớp nguồn — lớp tín hiệu — GND — BOTTOM

Bản thân trình tự đi dây không nhất thiết phải cố định, nhưng có một số tiêu chuẩn và nguyên tắc để hạn chế nó: Ví dụ, các lớp liền kề của lớp trên cùng và lớp dưới cùng sử dụng GND để đảm bảo các đặc tính EMC của bảng đơn; ví dụ, mỗi lớp tín hiệu tốt hơn là sử dụng lớp GND làm Mặt phẳng tham chiếu; nguồn điện được sử dụng trong toàn bộ bo mạch đơn được ưu tiên đặt trên một miếng đồng toàn bộ; nhạy cảm, tốc độ cao và thích đi dọc theo lớp bên trong của bước nhảy, v.v.