Thiết kế Xếp chồng PCB 6 lớp để Tăng cường EMC

Mạch in 6 lớp là một lựa chọn kinh tế và phổ biến cho nhiều ứng dụng với số lượng mạch cao và kích thước nhỏ. Các bảng mạch lớn hơn có thể hoạt động tốt với cấu trúc 4 lớp, nơi các lớp tín hiệu có thể được hy sinh để đảm bảo cách ly giữa mỗi bên của bảng mạch. Với cấu trúc 6 lớp phù hợp, bạn có thể ngăn chặn EMI giữa các lớp khác nhau và chứa được các thành phần có khoảng cách chân nhỏ với số lượng mạch cao. Tuy nhiên, có những trường hợp sử dụng cấu trúc 4 lớp hoặc 8 lớp có lý hơn, và việc hiểu rõ chức năng của các lớp mặt đất trong bảng mạch sẽ giúp bạn đưa ra quyết định này.

Bạn Cần Bao Nhiêu Lớp Mặt Đất, Mặt Nguồn và Tín Hiệu?

Câu trả lời cho câu hỏi này cực kỳ quan trọng và thực sự phụ thuộc vào ứng dụng của bảng mạch của bạn. Nếu bạn đang thiết kế một bảng mạch dày đặc với không gian hạn chế, nhưng tất cả đều ở tốc độ thấp hoặc DC, bạn thường có thể làm tốt chỉ với hai lớp mặt đất và bốn lớp tín hiệu. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, bạn thường có thể giảm số lượng lớp xuống còn 4 lớp với một số bố cục và định tuyến sáng tạo.

Nếu bạn cần giảm đáng kể sự nhạy cảm với EMI, một cấu trúc xếp lớp thay thế được sử dụng, và bạn nên chọn nhiều lớp nguồn/đất hơn và ít lớp tín hiệu hơn. Nếu đây là một bảng mạch số hoặc bảng mạch tín hiệu hỗn hợp, việc đặt tín hiệu so với các lớp mặt phẳng, và một cặp lớp nguồn/đất được đặt cách nhau gần, sẽ cho bạn sự linh hoạt bạn cần để định tuyến mọi nơi trên bảng mạch mà không tạo ra vấn đề EMI. Việc thêm nhiều đất xung quanh bảng mạch cũng có thể có tác dụng chắn đáng kể mà không cần đến giải pháp không thanh lịch như hộp chắn.

Nếu bạn sẽ kết hợp tín hiệu số và tín hiệu tương tự, kết hợp tín hiệu tần số cao và thấp, hoặc kết hợp tất cả những điều này, bạn vẫn có thể sử dụng sáng tạo một cấu trúc xếp lớp PCB 6 lớp. Đến một thời điểm nào đó, bạn có thể cần chọn một bảng mạch lớn hơn hoặc nhiều lớp hơn trong cấu trúc xếp lớp của mình (hoặc cả hai!). Có nhiều sự kết hợp lớp tín hiệu/mặt phẳng cho cấu trúc xếp lớp PCB 6 lớp, nhưng một vài ví dụ phổ biến sẽ được trình bày dưới đây.

Ví dụ về Cấu trúc Xếp Lớp PCB 6 Lớp

Với điều này trong tâm trí, hãy cùng đi sâu vào một vài ví dụ về cấu trúc xếp lớp PCB 6 lớp:

Tín hiệu+NGUỒN/ĐẤT/2 Lớp Tín hiệu/ĐẤT/Tín hiệu+NGUỒN

Ví dụ về cấu trúc 6 lớp PCB này là một lựa chọn phổ biến ở cấp độ nhập môn, cung cấp khả năng chắn cho các đường truyền tốc độ thấp ở lớp bên trong khỏi các đường truyền trên các lớp ngoài. Cũng có sự kết hợp chặt chẽ với các mặt phẳng rắn. Bạn có thể định tuyến các tín hiệu có tần số thấp/hồi chuyển chậm hoặc qua một lớp bên trong miễn là chúng vuông góc. Tôi sẽ định tuyến các tín hiệu số tốc độ cao và/hoặc tín hiệu tương tự trên các lớp ngoài để chắn chúng khỏi nhau và các đường truyền tốc độ/tần số thấp hơn trên các lớp bên trong. Một ví dụ được hiển thị bên dưới.

Trong trường hợp này, tôi sẽ không trộn lẫn tín hiệu tương tự và số ở các lớp bên trong trừ khi bạn có thể tách chúng ra thành các khu vực khác nhau của bảng mạch. Tuy nhiên, trong loại tình huống đó khi bạn cần sự tách biệt giữa các phần số và tương tự, bạn có thể sử dụng cấu trúc 4 lớp với các mặt phẳng bên trong và một số bố trí/định tuyến sáng tạo, hoặc bạn có thể sử dụng sắp xếp ưu tiên SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR trên 4 lớp (xem tại đây để biết hướng dẫn).

Với loại xếp chồng này, không nên làm lớp 2 thành lớp mặt phẳng nguồn, và không nên cố gắng tạo các cặp ghép song song trên L3+L4. Thay vào đó, bạn sẽ phải định tuyến PWR trên một lớp tín hiệu. Vấn đề chính với điều này là thiếu điện dung giữa các lớp giữa các lớp mặt phẳng nguồn và mặt đất cũng như đường trở lại có độ tự cảm cao từ L1 đến L5. Bởi vì các lớp mặt phẳng này được tách biệt, cần thêm nhiều tụ bù và via trở về mặt đất để bù đắp cho các đường trở lại không dự đoán được cho các tín hiệu trên L1. Vì lý do này, các bảng mạch này có lẽ chỉ nên được sử dụng với các hệ thống nguồn hoặc DC không cần dự đoán và theo dõi đường trở lại chính xác.

Signal/GND/PWR/GND/Signal/GND

Ví dụ về cấu trúc 6 lớp PCB này là một cấu trúc không đối xứng tốt cho các bảng mạch cần cung cấp nhiều sự giảm nhiễu cho các tín hiệu tốc độ cao, nhưng mật độ không cao đến mức bạn cần 3 lớp dành cho tín hiệu. Một ví dụ là sự kết hợp giữa tín hiệu tốc độ cao (L1) và tốc độ thấp (l5) vì chúng sẽ được cách ly với nhau, và cặp lớp PWR+GND gần nhau sẽ cung cấp sự giảm nhiễu cao để hỗ trợ tính toàn vẹn năng lượng tốc độ cao. Lớp tín hiệu bên trong sẽ được bảo vệ khỏi lớp tín hiệu bề mặt vì nó được bao bọc giữa hai lớp đất. Nó cũng hữu ích trong việc ngăn chặn EMI gây nhiễu cho lớp tín hiệu bên trong vì các dẫn điện rắn cung cấp sự che chắn hiệu quả. Các lớp nguồn và đất có thể sẽ được đặt gần nhau để cung cấp sự giảm nhiễu hiệu quả cho các thiết bị số tốc độ cao.

Vấn đề chính với cấu trúc này là nó chỉ cho phép đặt linh kiện dễ dàng trên lớp trên cùng trừ khi bạn bắt đầu cắt bỏ lớp đất ở lớp dưới cùng để tạo không gian cho linh kiện, vì vậy bạn cơ bản chỉ đang xây dựng một bo mạch một mặt. Đây là một lựa chọn đắt đỏ cho việc sản xuất vì nó đòi hỏi phải khoan rất nhiều để đặt vias đến lớp tín hiệu bên trong. Điều này nêu bật lợi ích của cấu trúc bo mạch 4 lớp hoặc 8 lớp. Với cấu trúc 8 lớp, bạn có thể tạo ra một sắp xếp tương tự của lớp nguồn/đất liền kề trong các lớp bên trong đồng thời cũng tạo điều kiện cho việc định tuyến bên trong và linh kiện/định tuyến ở lớp dưới cùng.

Tín hiệu/Đất/Nguồn/Tín hiệu/Đất/Tín hiệu

Đây là một biến thể của bảng mạch trước đó cung cấp thêm một lớp tín hiệu. Đây là một điểm xuất phát tốt nếu bạn đang làm việc với một hệ thống số có số lượng I/O vừa phải đòi hỏi kiểm soát trở kháng trên các lớp ngoài. Ví dụ, chúng tôi sử dụng cấu trúc này trên các bộ chuyển mạng và bảng mạch tín hiệu hỗn hợp chạy ở tốc độ Gbps hoặc cao hơn. Nhược điểm là sự giảm bớt sự cách ly giữa PWR và GND so với cấu trúc trước. Sự kết hợp thấp giữa PWR/GND được bù đắp bằng các ngân hàng của decaps. L4 sau đó có thể được sử dụng với các tín hiệu tốc độ thấp được tham chiếu đến PWR, điều này sau đó sẽ có sự kết nối trực tiếp trở lại với GND trên L2.

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

Nếu bo mạch của bạn sẽ được triển khai trong môi trường có nhiều nhiễu điện, hoặc nếu nó sẽ được đặt gần nguồn bức xạ mạnh, cấu trúc này cung cấp khả năng ức chế EMI xuất sắc. Với việc thêm vào các via ghép cẩn thận cách nhau, bạn có thể cung cấp lớp bảo vệ lên đến một tần số cao (thường là vào khoảng GHz). Nhược điểm là chỉ có hai lớp tín hiệu, vì vậy không gian trên bo mạch để định tuyến tín hiệu sẽ bị hạn chế. Bạn cũng sẽ cắt lớp PWR với các via khi định tuyến giữa các lớp tín hiệu, hoặc ra đến các lớp bề mặt. Tuy nhiên, việc đặt các lớp tín hiệu giữa các lớp dẫn xếp chồng lên nhau là một lựa chọn tốt từ góc độ EMC.

Cấu trúc lớp này cung cấp một lợi ích khác không quá rõ ràng: quản lý nhiệt độ tốt hơn. Mặc dù các bo mạch này không dành cho các hệ thống điện với dòng điện cao, các dẫn trên mỗi bên của một lớp tín hiệu và trong các lớp nội bộ có thể giúp vận chuyển nhiệt đến các cạnh và bề mặt của bo mạch, nơi nó có thể sau đó được tản nhiệt với làm mát thụ động hoặc chủ động. Bạn sẽ không có cùng mức độ tản nhiệt như bạn có với một bo mạch lõi kim loại hoặc gốm, nhưng bạn có lợi thế của nhiều lớp để bảo vệ giúp ức chế EMI.

Ghi chú về Định tuyến Giữa Nhiều Lớp

Chúng ta thường nói về việc định tuyến vias qua nhiều lớp, nhưng việc làm này có thể tạo ra sự không liên tục trong đường trở lại, làm tăng diện tích vòng lặp cho mạch. Trong trường hợp này, dung lượng nhiễu giữa các lớp sẽ phải cung cấp một số lượng xả điện mà gây ra dòng điện trở lại gần với via tín hiệu. Thật không may, dung lượng thường quá nhỏ để cung cấp một đường trở lại có trở kháng thấp đáng tin cậy. Vì lý do này, đường trở lại sẽ xuất hiện ở tụ nối tiếp gần nhất, hoặc trong các vias bạn sử dụng để kết nối các khu vực tiếp đất trên nhiều lớp, tất cả có thể xa via tín hiệu. Kết quả là một đường trở lại rất lớn với độ tự cảm vòng lặp lớn, và điều này sẽ tạo ra một vấn đề EMC mới mà bạn phải giải quyết.

Vì vậy, có hai phương án phổ biến được đề cập như là cách để loại bỏ EMI từ việc thiếu một đường trở lại này:

1. Đặt tụ nối mát song song với via tín hiệu để cung cấp đường dẫn trở lại
2. Đặt via nối đất hoặc cặp via nối đất song song với via tín hiệu để cung cấp đường dẫn trở lại

Theo ý kiến của tôi, lựa chọn tốt hơn là đặt một hoặc hai via nối đất chạy cùng với via tín hiệu miễn là hai mặt phẳng tham chiếu ở cùng một tiềm năng. Điều này cung cấp một đường dẫn trở lại với độ tự cảm thấp mà không làm gián đoạn sự kết nối với các mặt phẳng tham chiếu. Nhu cầu cung cấp đường dẫn trở lại là một lý do mà một nhà thiết kế có thể chỉ đơn giản là lấp đầy mọi nơi trong bố cục với các via nối đất một khi bố cục được hoàn thành.Nếu bạn làm điều này với các via nối, hãy chắc chắn đọc bài viết này.

Để xem một số trường hợp sử dụng khác liên quan đến việc sử dụng cấu trúc 6 lớp để cung cấp khả năng chống nhiễu điện từ, cụ thể là trong các sản phẩm IoT, hãy xem bài thuyết trình gần đây của Ken Wyatt tại AltiumLive 2022.

Gói thiết kế PCB của bạn nên bao gồm các công cụ bạn cần để thiết kế stackup của mình hoàn toàn từ đầu. Với Altium, bạn sẽ có quyền kiểm soát đầy đủ về sắp xếp lớp, hằng số vật liệu và kích thước. Bạn thậm chí còn có thể sử dụng trình quản lý stack lớp để dễ dàng tạo ra hệ thống cứng-linh hoạt và đa bảng. Tất cả các công cụ thiết kế này đều tích hợp trực tiếp với công cụ thiết kế sơ đồ, bố trí và tạo sản phẩm phân phối trong một chương trình duy nhất.

Tải về bản dùng thử miễn phí của Altium để xem các công cụ mạnh mẽ giúp bạn kiểm soát hoàn toàn bo mạch của mình. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào các ví dụ về xếp chồng PCB 6 lớp và các tính năng thiết kế tốt nhất mà ngành công nghiệp yêu cầu trong một chương trình duy nhất. Liên hệ với chuyên gia Altium ngay hôm nay để tìm hiểu thêm.

Đổi Công Cụ Thiết Kế PCB Lỗi Thời của Bạn & Mở Khóa 45% GIẢM GIÁ Altium hôm nay!