Comment déterminer les couches PCB et concevoir un empilement de couches élégant qui maximise l’intégrité du signal

Zachariah Peterson
|  Créé: May 20, 2020  |  Mise à jour: November 14, 2020

Le placement intelligent de couches PCB annule l’énergie RF et résulte en des assemblages de cartes électroniques qui réussissent la compatibilité électromagnétique du premier coup.

ALTIUM DESIGNER

Outils professionnels de conception de PCB avec un gestionnaire efficace d’empilement des couches.

Utiliser les couches internes avec les retours de masse adjacents dans les horloges

Texte alternatif : un empilement de couches élégants qui défie les boucles)

La meilleure pratique pour déterminer l’empilement de couches PCB donne la priorité à l’intégrité du signal. L’intégrité du signal se produit lorsque la génération de courants RF est évitée avec une organisation minutieuse des couches. Les courants RF sont générés via des impédances indésirables incluses dans le support, ce qui donne l’opportunité de générer des courants de mode commun. Les courants de mode commun sont la source principale de l’énergie RF. L’énergie RF se loge au sein du réseau de distribution d’électricité ou est émise dans les espaces vides sous forme de bruit. Le bruit se présente sous forme de réflexion, d’oscillation amortie, ou de diaphonie.

L’empilement des couches PCB peut être conçu pour incorporer des caractéristiques utiles dans le maintien de l’intégrité du signal. Le découplage capacitif maximal dans le réseau de distribution électrique est atteint en plaçant des plans d’alimentation directement adjacente au retour de masse dans l’empilement des couches. (Voir la figure ci-dessus). Les pistes de signaux devraient toujours avoir un retour à la masse adjacent dans l’empilement des couches. Inclure un plan de masse à côté de chaque piste de signal favorise l’annulation des flux et supprime le bruit. Minimiser l’espacement entre les couches conductrices augmente l’annulation des flux.

Le routage intentionnel fait progresser la conception des meilleures pratiques d’empilement des couches pour l’intégrité du signal. Les tracés à haute vitesse sont mieux routés stripline pour prendre le meilleur avantage du blindage et de l’annulation de flux sur les couches internes avec les plans de masse adjacents. Les tracés sensibles à faible risque de couplage à travers l’air sont mieux routés microstrip sur les couches externes de la carte de circuit imprimé. De subséquentes techniques de routage incorporent le ratio d’aspect entre les colliers d’attaches et le maillage du réseau de masse. Le remplissage par des retours de masse sur les pistes des couches externes fournit des chemins de retour et limite la création de courants de boucle.

Concevoir les couches pour minimiser le développement non désiré d’énergie RF

La cause racine de bruit dans une PCB est le développement de l’énergie RF à travers des impédances non désirées. Les courants RF se développent lorsque des impédances non désirées se produisent à l’intérieur de la carte de circuit imprimé au cours de sa conception. L’impédance se développe sous forme d’inductance sur le bobinage des inducteurs et sur les fils de composants discrets, tels que les résistors. Les boucles fournissent l’opportunité aux courants d’interruption de produire de l’énergie RF dans l’air.

Qu’il s’agisse d’une carte, de cartes, d’une PCB multicouche, ou d’une conception où vos problèmes principaux sont les pistes, les trous, et les pastilles impliqués, l’impédance peut constituer un problème. Les CI et les interfaces avec d’autres supports causent des mauvais appariements qui développent des impédances indésirables aboutissant aussi à la génération de courants RF. Lorsque l’impédance non désirée qui se développe dans les réseaux est supérieure à celle de l’air, l’énergie RF prend le chemin de la moindre résistance et émet dans l’espace libre.

Réglage fin des caractéristiques de signal par couche au cours de la route

Texte alternatif : utiliser les outils intelligents de définition de couches pour l’intégrité du signal)

Incorporer les couches qui évitent les discontinuités et les boucles

Atténuez l’énergie RF avec un plan de masse qui dissuade les impédances non désirées. Concevez les couches pour éliminer le développement d’impédance et rediriger l’énergie RF vers le châssis. Routez les signaux pour s’assurer que le chemin de retour est directement sous la piste signal. Évitez de créer des boucles qui génèrent de l’impédance lorsque des signaux de commutation rapide sont présents sur la PCB. Évaluez les couches lors du placement des trous de liaison pour s’assurer qu’il n’y a aucune discontinuité. Les discontinuités produisent des emplacements sur les surfaces de couches et peuvent forcer les chemins de retour vers des boucles qui émettent du bruit. Placez des condensateurs de découplage sur chaque rail conducteur pour rediriger les signaux de commutation vers la terre. Placez des condensateurs de contournement sur les signaux de commutation aux connecteurs qui entrent et qui quittent le circuit.

  • plongez-vous plus en profondeur dans l’énergie RF à utiliser dans la conception de votre empilement de couches.

    Concevoir un circuit en gardant l’impédance de circuit RF à l’esprit pour que vos conceptions n’aient pas l’air stupide

  • comprendre comment maximiser l’empilement des couches pour prévenir les boucles de masse

    Plan sur la prévention des boucles de masse dans votre conception PCB

  • tout rassembler avec un plan de masse pour contrecarrer les boucles ou l’impédance non désirée

    Implémenter un plan de masse PCB : la première étape vers l’intégrité de la conception PCB

Utiliser les couches pour le découplage capacitif et l’annulation des flux

Organisez les couches d’alimentation et de masse de manière adjacente les unes par rapport aux autres pour une distribution propre de l’alimentation à travers les couches de la PCB. La nette distribution de l’alimentation résulte du découplage capacitif d’impédance faible lorsque les couches d’alimentation et de masse s’adjoignent l’une à l’autre dans l’empilement. Continuez de concevoir l’intégrité du réseau de distribution de l’alimentation à travers les couches en ajoutant des condensateurs de découplage à chaque fil d’alimentation des composants à l’interface des couches de la PCB.

Ceci fournira de l’énergie à utiliser lorsque de vastes réseaux digitaux commutent simultanément. Continuez avec une intégrité de distribution d’alimentation à travers les couches en ajoutant des condensateurs de découplage aux broches de signaux qui subissent des transitions lors du cadençage. Des condensateurs de découplage et de contournement fournissent assez d’énergie pour maintenir les signaux voulus au cours de l’opération, empêchant le « ground bounce » et l’injection non intentionnelle d’énergie RF dans les couches.

Ajuster les impédances critiques pour les signaux à haute vitesse

(Texte alternatif : Utiliser des outils qui accèdent aux caractéristiques du signal à la volée)

Concevoir un empilement pour éviter les boucles et les impédances non voulues

Empilez les pistes de signaux de manière adjacente aux retours de masse pour empêcher les boucles qui génèrent de l’énergie RF. Les boucles ne peuvent se développer lorsque les surfaces de retour sont localisées directement à proximité des pistes de signaux. Le placement des trous de liaison est essentiel pour éviter que les emplacements dans la couche ne s’empilent là où les signaux peuvent avoir besoin de se propager autour des emplacements, générant ainsi des boucles. De plus, les signaux à grande vitesse développent des flux à la fois dans le réseau des signaux et le réseau de retour.

Ce flux est égal et opposé, le signal et le retour. L’annulation maximale se produit lorsque les signaux à haute vitesse et les retours sont placés directement de manière adjacente. L’annulation des flux générés par les signaux à haute vitesse doit être réalisée afin de maintenir la compatibilité électromagnétique (CEM). La conception de l’empilement des couches de manière à ce que les couches de retour soient adjacentes à chaque couche de signal résultent en une compatibilité électromagnétique (CEM). La CEM indique que l’empilement de couches a été conçu pour limiter de manière adéquate la génération de flux.

  • maximiser le découplage capacitif avec une faible impédance effective dans votre réseau de distribution d’alimentation

    Utiliser le placement des couches pour l’intégrité de l’alimentation dans le réseau de distribution d’alimentation de la PCB

  • analyser les lignes de transmission dans vos couches et appliquer le contrôle d’impédance

    Utiliser les calculateurs de lignes de transmission dans les conceptions de réseaux et de couches de la PCB

  • tout rassembler avec une conception qui contrecarre les interférences électromagnétiques (IEM)

    La conception pour la compatibilité électromagnétique (CEM) d’une PCB : pour des succès sans fin

Utiliser le gestionnaire d’empilement de couches d’Altium pour optimiser l’intégrité du signal

Le Gestionnaire d’empilement des couches fournit un outil élégant pour définir les couches et leurs caractéristiques. Il s’agit d’un outil visuel paramétré comme un tableau avec un accès direct à l’édition. Les colonnes avec la définition des matériaux tels que le cuivre, le pré imprégné et le cœur ainsi que les matériaux de surface sont spécifiées ici. La réalisation des exigences de conception à haute vitesse qui emploient des épaisseurs modélisées est insérée ici avec la définition des matériaux diélectriques.

Le matériau diélectrique utilisé aujourd’hui dans la plupart des cartes de circuits imprimés est le FR4 et le Gestionnaire d’empilement des couches insère automatiquement sa constante diélectrique. Vous pouvez travailler en unités de dimension métriques ou impériales. Des configurations de couches prédéfinies sont disponibles pour accélérer votre travail de conception, mais vous pouvez aussi charger un empilement précédemment configuré à partir d’un autre projet de conception. Les paires différentielles sont accessibles via un bouton de navigation donné. Un bouton radio séparé permet de naviguer vers l’éditeur de formule d’impédance.

Utilisez l’éditeur de formules d’impédance pour contrôler l’impédance des signaux à haute vitesse

Texte alternatif : éditeur de formules d’impédance dans le gestionnaire d’empilement des couches)

Conserver l’alimentation adjacente à la masse et donner une référence aux couches de signaux

Utilisez les équations intégrées pour calculer l’impédance stripline et microstrip pour les signaux à haute vitesse dans vos couches. Les équations intégrées sont localisées dans l’Éditeur de formules d’impédance au sein du Gestionnaire d’empilement des couches. Les équations intégrées prennent en compte l’épaisseur du matériau et le paramètre diélectrique des strates ainsi que les caractéristiques du cuivre fournis dans le Gestionnaire d’empilement des couches. Les boutons radio au sein de l’éditeur permettent un accès direct aux variables de l’équation, dans le cas où votre conception nécessiterait une analyse pour l’inclusion d’un microstrip ou d’un double stripline.

  • établissez les couches d’une PCB avec des instructions sur les règles de la conception dans un compte rendu schématique

    Faciliter la vie de la conception du modèle de couches d’une PCB en utilisant des règles de conception schématiques

  • créez x classes de signaux pour les signaux à haute vitesse dans vos couches de PCB.

    Permettre une disposition à haute vitesse précise et sans erreur dans vos couches

  • étendez l’intention de placement de couches pour les signaux à haute vitesse au cours du routage.

    Sélectionnez et routez facilement des classes de réseaux spécifiques en utilisant Altium Design ActiveRoute

Un circuit imprimé est tout simplement aussi fort que sa conception, assurez-vous que votre logiciel puisse sortir rapidement vos cartes de manière rapide et fiable via des fichiers Gerber en affichant avec exactitude l’épaisseur, les composants, les pastilles, et les brasures. Ne laissez pas votre conception pâtir des modèles de carte qui sont imprécis ou qui n’ont pas été correctement intégrés entre le concept de carte schématique et le modèle de carte.

Altium Designer est un outil puissant qui vous fournit le Gestionnaire d’empilement des couches afin de définir les couches de PCB pour amener l’énergie RF à zéro. Utilisez le Gestionnaire d’empilement des couches pour minimiser l’accumulation d’impédance résiduelle en utilisant l’Éditeur de formules d’impédance. Utilisez l’éditeur pour concevoir soigneusement des signaux à haute vitesse afin d’éliminer des impédances non voulues qui développent l’énergie RF. Les outils d’Altium Designer définissent de manière intelligente les couches et l’impédance de signal de la PCB afin que votre assemblage de circuits imprimés passe la CEM dès la première fois.

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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