Podstawy układu warstw PCB

W porównaniu do budowy PCB, układ warstw koncentruje się bardziej na typie elektrycznym każdej z warstw. Grubość materiałów czy użyte dielektryki są mniej ważne niż to, które warstwy są przeznaczone do czego, takie jak warstwy sygnałowe (SIG), masowe (GND) lub zasilające (PWR).

Warstwy sygnałowe zawierają przede wszystkim ścieżki przenoszące sygnał (czasami z trasowanym zasilaniem lub wylewkami miedzi), podczas gdy warstwy zasilania i masy są zwykle całkowicie pełnymi wylewkami miedzi na całej warstwie. Warstwy masy służą jako odniesienie dla warstw sygnałowych i ich ścieżek powrotnych, a warstwa zasilania to albo jednolita, ciągła płaszczyzna zasilania o określonym napięciu, albo kilka wysp lub wylewek miedzi o różnych poziomach napięcia.

Przed trasowaniem PCB, chcemy określić nasz układ warstw, który zależy od liczby dostępnych warstw. Następnie przechodzimy przez warstwy jedna po drugiej, przypisując masę, zasilanie lub sygnały do poszczególnych warstw.

Kombinacje są oczywiście również możliwe - możemy mieszać zasilanie i masę, sygnał i masę lub sygnał i zasilanie.

Warstwa Masy

Jednym z najważniejszych typów warstw jest warstwa masy. Ten typ warstwy jest używany przede wszystkim jako płaszczyzna odniesienia lub warstwa dla ścieżek powrotnych sygnału (i mocy). Dla każdej ścieżki w przód potrzebujemy ścieżki powrotnej, aby zamknąć pętlę. 

Warstwa Mocy

Warstwa mocy jest używana do dystrybucji mocy. Należy pamiętać, że dla systemów o niskiej prędkości i niskiej przepustowości nie jest to całkowicie krytyczne i można prowadzić zasilanie za pomocą ścieżek na warstwach sygnałowych. Jednakże, płaszczyzny i warstwy mocy stają się coraz ważniejsze pod względem dostarczania mocy dla obwodów wysokiej prędkości. Dodatkowo, jeśli są połączone z warstwą masy na blisko położonej, sąsiadującej płaszczyźnie, tworzą one rodzaj kondensatora płaskiego.

Warstwa Sygnałowa

Na koniec mamy naszą warstwę sygnałową, gdzie będziemy prowadzić nasze ścieżki, skutecznie formując naszą ścieżkę sygnału w przód. Jak wcześniej wspomniano, możemy użyć warstwy masy lub w niektórych przypadkach nawet warstwy mocy jako odniesienia dla naszej ścieżki powrotnej.

Ścieżki Powrotne i Odniesienia

Teraz pytanie brzmi, jak w sensowny sposób przypisać typy warstw w PCB? Mamy określone cele dotyczące wydajności EMI, integralności sygnału i mocy, i chcemy systematyczne podejście do decydowania o układzie warstw. Nie chcemy po prostu arbitralnie przypisywać różnych typów warstw.

Istnieje kilka złotych zasad. Po pierwsze, dla sygnałów AC w zakresie kilku kHz, ścieżka powrotna to nie najkrótsza droga, ale raczej droga bezpośrednio pod śladem (ścieżka w przód). To część o najmniejszej impedancji. Na przykład, dla śladu na górnej warstwie sygnałowej i płaszczyźnie masy bezpośrednio poniżej na warstwie drugiej, ścieżka w przód znajduje się na warstwie sygnałowej, a ścieżka powrotna jest bezpośrednio pod tym śladem na płaszczyźnie masy poniżej.

Kolejną kwestią do rozważenia jest to, że energia sygnału płynie w przestrzeni dielektrycznej między miedzią (śladem a płaszczyzną). Miedź jest zatem po prostu falowodem. Dla dobrej integralności sygnału i wydajności EMI, musimy wziąć pod uwagę zarówno ścieżkę w przód, jak i powrotną, gdzie płynie energia sygnału, oraz jak jest ona ograniczona między ścieżką w przód a powrotną.

W istocie, pożądane jest bliskie sprzężenie między płaszczyznami sygnałowymi a masowymi oraz między płaszczyznami zasilania a masowymi, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się pól. Naszym głównym celem jest uniknięcie rozprzestrzeniania się pól, ponieważ rozprzestrzeniające się pola prowadzą do sprzężenia sygnałów z sygnałem, co prowadzi do przeplotu. Rozprzestrzenianie się pól oznacza również pewną formę promieniowania, co prowadzi do problemów z EMI.

Przypisywanie warstw i par warstw

Jak uniknąć rozprzestrzeniania się pól i jak zawrzeć te pola?

Główną rzeczą, którą my, inżynierowie projektujący PCB, musimy mieć na uwadze, jest to, że każda ścieżka sygnału lub zasilania do przodu potrzebuje blisko sprzężonego odniesienia. Dodatkowo, dla sygnałów o wysokiej prędkości lub wyższej energii, ma sens również użycie linii paskowej zamiast ścieżek mikropaskowych. Linia paskowa oznacza, że mamy ścieżkę sygnałową umieszczoną między dwoma płaszczyznami masowymi, zapewniając dobre sprzężenie pola od sygnału do obu płaszczyzn masowych po obu stronach.

Jak wcześniej wspomniano, kolejnym punktem do rozważenia są sąsiadujące płaszczyzny zasilania i masy. Ma to na celu poprawę dostarczania mocy przy wysokich częstotliwościach, gdzie kondensatory SMD (nawet te w małych obudowach) zaczynają wyglądać na indukcyjne. 

W istocie, projektując układ warstw, należy stosować się do prostej zasady posiadania co najmniej jednej warstwy odniesienia masy bezpośrednio przylegającej do każdej warstwy sygnałowej lub zasilającej, i powinieneś być wtedy na dobrej drodze do rozpoczęcia.

Zalecane wielowarstwowe układy

Ostatecznie, oto niektóre z moich ulubionych wielowarstwowych układów, które są zgodne z wytycznymi, które wcześniej przedstawiliśmy.

Czterowarstwowy (z zasilaniem trasowanym): SIG – GND – GND – SIG

Sześciowarstwowy: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Ośmiowarstwowy: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Wideo Ricka Hartleya

Na koniec, nie mogę wystarczająco polecić wideo Ricka Hartleya na temat jak osiągnąć odpowiednie uziemienie oraz jak prawidłowo wybrać układy warstw. W wideo Rick omawia wiele zasad przedstawionych w tym artykule, w dużo większym szczególe. Sprawdź wideo na kanale YouTube Altium.