Как проектировать плоскости изображения для высокоскоростных печатных плат

В настоящее время многослойные печатные платы используются в большинстве высокоскоростных схемных систем, и многие схемные системы имеют множество рабочих характеристик, что предъявляет строгие требования к конструкции плоскостей изображения, особенно к урегулированию отношений между несколькими плоскостями питания/земли. Кроме того, на уровне устройства необходимо разработать специальную поверхность с медным покрытием, чтобы генераторы не производили радиочастотную (радиочастотную) энергию и обеспечивали превосходное рассеивание тепла для компонентов высокой мощности.

Функции плоскостей изображения

Плоскости изображения представляют собой покрытую медью поверхность, примыкающую к сигнальным слоям печатных плат. К основным функциям плоскостей изображений относятся:

1). Уменьшение шума оплавления и электромагнитных помех (электромагнитных помех). Плоскости изображения обеспечивают пути с низким импедансом для повторного прохождения сигнала, особенно когда в системе распределения питания протекает большой ток. Более того, они уменьшают площадь замкнутого кольца, образованного сигналом и оплавлением, что снижает электромагнитные помехи.

2). Управление перекрестными помехами между сигнальными линиями в высокоскоростной цифровой цепи. Перекрестные помехи определяются отношением D/H, в котором D относится к расстоянию между источником помех и объектом помех, а H относится к высоте плоскостей изображения между сигнальными слоями. Соотношение D/H можно контролировать, изменяя значение H, чтобы полностью контролировать перекрестные помехи между сигнальными линиями.

3). Контроль импеданса. Характеристический импеданс печатных плат зависит от ширины проводов и высоты между проводами и плоскостями изображения. Если плоскости изображения нет, возможно, импеданс невозможно контролировать, что приводит к нарушению согласования линий передачи и отражения сигнала.

Кроме того, плоскости изображения также способны контролировать шум от отражения до внешних плат. Следует признать, что одних только плоскостей изображения недостаточно для реализации этих функций. Для достижения ожидаемых целей необходимо дополнить строгие правила проектирования. Этот факт можно выразить так:для контроля шума в высокоскоростной цифровой схеме плоскости изображения необходимы, но они не могут работать сами по себе.

Пропуск слоя при перекомпоновке сигнала

В многослойных печатных платах каждый слой топологии должен быть смежным с одной плоскостью изображения, а цепь возврата сигналов течет по соответствующей плоскости изображения. Когда сигнальная линия не проходит через слой макета, обычный метод заключается в том, что сначала сигнальная линия соединяется со слоем макета, а затем сигнальная линия соединяется с другим слоем через сквозные отверстия. Следовательно, сигнальная линия перескакивает с одного слоя на другой, поэтому ток возвращается по тому же пути. Когда оба слоя являются слоями заземления, обратный ток может пропускать сквозные отверстия, соединяющие два слоя или штыри заземления. Когда один слой является силовым, а другой - заземляющим, единственная возможность пропуска обратного тока между слоями - это положение с установленным развязывающим конденсатором. Если нет развязывающего конденсатора или сквозных отверстий, соединяющих заземляющий слой, пропуск должен быть сделан за счет обратного тока, который должен следовать самым дальним путем, что делает обратный ток развязанным с другими цепями, так что будут возникать перекрестные помехи и электромагнитные помехи.

В результате в процессе проектирования печатной платы пропуск слоев должен быть установлен на контактах заземления, прилегающих к компонентам, или в лучшем случае вокруг развязывающего конденсатора. Если это невозможно, в точке пропуска можно разместить сквозные отверстия заземления (переход между двумя слоями заземления) или байпасный конденсатор (переход между слоем питания и слоем заземления), чтобы пропустить обратный ток.

Разделение плоскостей

В процессе использования многослойных печатных плат иногда возникает необходимость сформировать область без медной фольги определенной ширины, разбивающую интегрированную плоскость изображения на несколько независимых частей, что называется плоскостями разбиения.

Плоскости разделения обычно используются для предотвращения помех, влияющих на чувствительные цепи, и изоляции различных опорных напряжений, таких как предотвращение цифрового шума, проникающего в аналоговую область, аудио, область ввода-вывода, а также изоляция между напряжениями питания 5 В и 3,3 В.

Плоскости расщепления можно разделить на полное расщепление и неполное расщепление. Первый относится к полной изоляции между слоями питания и слоями земли после разделения. Последнее относится к полной изоляции между силовыми слоями, в то время как наземные слои соединены «мостами». Использование полного или неполного разделения зависит от того, есть ли сигнальная связь между плоскостями разделения.

• Примеры разделения плоскостей

На рис. 1 представлена ​​схема плоскостей изображения аналогово-цифровой смешанной схемы тестовой платформы. Аналоговый вход видео передается в FPGA путем преобразования AD, а вывод — в виде преобразования DA. И AD, и DA используют независимый силовой компонент для обеспечения питания. Цифровые компоненты занимают большую часть пространства на плате, а аналоговые — лишь небольшую часть. Тем не менее, все они являются важными частями, которые важны для производительности всей системы. Поэтому в процессе работы с этими компонентами необходимо проявлять большую осторожность. Идеально, чтобы шум цифровой части не проникал в аналоговую часть. Однако часть сигналов от АЦП и ЦАП подается на ПЛИС цифровой части. Чтобы обеспечить перераспределение этих подключенных сигналов, цифровое питание и аналоговое питание должны быть полностью изолированы, в то время как цифровое заземление и аналоговое заземление должны быть изолированы не полностью, чтобы влияние аналоговой части от цифровой части было уменьшено до минимума.

Все линии от цифровой части к аналоговой части должны проходить через мост, размер отверстия которого должен быть как раз подходящим для прохождения необходимых проводов, чтобы перетекание сигнала данных могло возвращаться по мосту, избегая в результате помех другим сигналам. обмотки для обратного пути. В этом дизайне печатной платы земли частей AD и DA полностью изолированы друг от друга.

• Некоторые проблемы в процессе разделения плоскостей

а. Перекрытие слоев изоляции

В многослойных печатных платах разделительные плоскости обычно используются для разделения разных мощностей. Вообще говоря, соответствующие наземные слои этих мощностей изолированы друг от друга, то есть каждая мощность имеет свой опорный слой. В процессе проектирования печатной платы необходимо избегать наложения слоев изоляции. Например, в большинстве многослойных печатных плат слой питания и заземления аналоговой части и цифровой части изолированы друг от друга. Уровень аналоговой мощности и уровень цифровой земли не должны перекрываться в пространстве, как показано на рисунке 2.

Если появится перекрывающийся изолирующий слой, в области перекрытия появится небольшая емкость C1. Емкость сделает радиочастотную энергию, передаваемую от одного слоя к другому, изолированным, статическим и независимым слоем, чтобы уменьшить достоверность изоляции.

б. Расположение развязывающего конденсатора

Для фильтрации высокочастотного шума, создаваемого высокоскоростными компонентами, на печатных платах установлено множество развязывающих конденсаторов. Если в печатных платах появятся разделяющие плоскости, то в процессе разводки может сложиться ситуация, что заземляющие выводы развязывающего конденсатора не будут соединены с другими эталонными заземляющими слоями вместо соответствующего заземляющего слоя. Такая ошибка, возможно, будет иметь место и приведет к развязке шума от одного слоя к другому, что аналогично перекрытию плоскостей разделения. Поэтому эта проблема должна решаться на стадии проектирования. В качестве примера снова возьмем цифровую аналоговую смешанную схему. Аналоговая мощность подается от цифровой части через ферритовую бусину, а C1 относится к емкости развязки цифровой части. На рис. 3А контакты питания C1 подключены к цифровому источнику питания, а контакты заземления — к аналоговой земле, что приводит к развязке цифрового шума с высокой частотой в чувствительной аналоговой части, что является неправильным подключением. На рис. 3B показано правильное подключение развязывающего конденсатора.

в. Заземление в одной точке

При соединении опорных слоев разной мощности необходимо обеспечить заземление в одной точке. В приведенной в качестве примера цифро-аналоговой смешанной схеме печатные платы классифицируются на цифровую часть и аналоговую часть, и как цифровая земля, так и аналоговая земля имеют по крайней мере две точки соединения, так что шумовой сигнал, возможно, формирует циркуляцию между двумя эталонными слоями через две точки соединения, что является называется «контур заземления». Контур заземления приведет к шуму, электромагнитным помехам, потреблению энергии и трудностям отвода тепла. Существует простое решение проблемы контура заземления:пока между опорными слоями существует только одна точка соединения, контур не может образоваться.

Локальные наземные слои

В составе плоскостей изображения локальные заземляющие слои относятся к медному покрытию на верхней поверхности печатных плат, непосредственно связанному с внутренним заземляющим слоем. Его основная функция состоит в том, чтобы улавливать радиочастотный магнитный поток, создаваемый внутренней частью некоторых ключевых микросхем (например, генераторов), или использовать его для рассеивания мощности.

Для получения отличной производительности генераторы, кварцевые резонаторы и опоры часов должны быть собраны на независимом локальном заземляющем слое. Причины включают:
1). Если генератор помещен в металлическую оболочку, ВЧ-ток, генерируемый внутри металлической оболочки, возможно, будет настолько большим, что его заземляющие выводы не смогут отводить большой ток на землю методом низкого энергопотребления. В результате эта металлическая оболочка становится однополярной антенной.
2). Если при размещении генератора на печатной плате используется технология поверхностного монтажа, проблема, упомянутая выше, усугубляется, поскольку в корпусе поверхностного монтажа обычно используется пластиковый материал, останавливающий ВЧ-ток, идущий к точке заземления. Наконец, радиочастотный ток, генерируемый внутри упаковки, будет излучаться в свободное пространство и отделяться от других компонентов.
3). Обычные генераторы способны управлять буферизацией тактовых импульсов, которая принадлежит компонентам со сверхвысокой скоростью и высокой скоростью фронта, производя большое количество ВЧ-тока, что может привести к сбою функции тока.

Если локальный заземляющий слой собран в цепи генератора и тактового генератора, будут предусмотрены плоскости изображения, используемые для улавливания ВЧ-энергии, генерируемой внутри генератора и соответствующих цепей, чтобы можно было уменьшить ВЧ-излучение.

Правило 20 ч

Как эмпирическое правило, правило 20-H описывает, что в многослойных печатных платах с высокой плотностью, чтобы уменьшить электромагнитную энергию, излучаемую печатными платами в свободное пространство, размер слоя питания должен быть на 20H меньше, чем размер слоя земли, в котором H относится к расстоянию между двумя слоями. На рисунке 4 левая часть указывает на слой питания/земли без какой-либо специальной конструкции, в котором краевое излучение настолько сильное, что оно будет влиять на функции соседней цепи. В правой части показана ситуация с радиочастотным излучением за счет уменьшения размера поверхности мощности на X-H. Видно, что наземный слой притягивает множество магнитных силовых линий, и энергия радиочастотного излучения уменьшается. По результатам экспериментов сила РЧ-излучения начинает снижаться с 10-Н; в случае 20-Н земля способна притягивать 70% магнитного потока; в случае 100-H магнитная сила способна уменьшиться на 98%.

Естественно, 20-H не идеален для всех структур печатных плат. Эффективность 20-H зависит от рабочей частоты, физического размера слоя питания/земли и расстояния между ними, последние два элемента которого определяют SRF (саморезонансную частоту) печатной платы. Исследования показывают, что когда печатная плата работает на любом SRF, 20-H не работает, а земля также не может притягивать энергию излучения. Что еще хуже, вместо этого будет генерироваться много энергии излучения. Следовательно, на практической высокоскоростной трассе при принятии решения о том, следует ли выбирать правило 20-H или нет, необходимо учитывать конкретные ситуации.

Полезные ресурсы
• Советы по высокоскоростной компоновке
• Методы высокоскоростной разводки печатных плат для уменьшения влияния электромагнитных помех
• Непонимание и стратегии проектирования высокоскоростной печатной платы
• Дифференциальная изометрия Обработка и имитационная проверка высокоскоростного проектирования печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — начиная с 1 шт.