Cơ bản về Xếp chồng PCB

So sánh với việc xây dựng một PCB, việc chồng lớp quan tâm nhiều hơn đến loại điện của từng lớp. Độ dày của vật liệu hoặc loại điện mô nào được sử dụng không quan trọng bằng việc lớp nào được dành riêng cho cái gì, như lớp tín hiệu (SIG), lớp mặt đất (GND), hoặc lớp nguồn (PWR).

Các lớp tín hiệu chứa chủ yếu là các đường dẫn mang tín hiệu (đôi khi với nguồn được định tuyến hoặc đổ đồng), trong khi đó các lớp nguồn và mặt đất thường là các đổ đồng hoàn toàn trên toàn bộ lớp. Các lớp mặt đất được sử dụng làm điểm tham chiếu cho các lớp tín hiệu và đường trở về của chúng, và một lớp nguồn là một mặt phẳng nguồn liên tục, cố định ở một điện áp nhất định hoặc nhiều hòn đảo hoặc đổ đồng ở các mức điện áp khác nhau.

Trước khi định tuyến PCB, chúng ta muốn xác định chồng lớp của mình, phụ thuộc vào số lượng lớp chúng ta có sẵn. Sau đó, chúng ta muốn xem xét từng lớp một, gán mặt đất, nguồn, hoặc tín hiệu cho từng lớp.

Các kết hợp cũng là có thể—chúng ta có thể kết hợp nguồn và mặt đất, tín hiệu và mặt đất hoặc tín hiệu và nguồn.

Lớp Mặt Đất

Một trong những loại lớp quan trọng nhất là lớp mặt đất. Loại lớp này chủ yếu được sử dụng như một mặt phẳng hoặc lớp tham chiếu cho đường trở về của tín hiệu (và nguồn). Đối với mỗi đường đi về phía trước, chúng ta cần một đường trở về để hoàn thành vòng lặp. 

Lớp Nguồn

Lớp nguồn được sử dụng cho việc phân phối nguồn. Hãy nhớ rằng đối với các hệ thống tốc độ thấp và băng thông thấp, điều này không hoàn toàn quan trọng, và bạn có thể định tuyến nguồn của mình với các đường dẫn trên các lớp tín hiệu. Tuy nhiên, các mặt phẳng và lớp nguồn trở nên ngày càng quan trọng về mặt cung cấp nguồn cho các mạch tốc độ cao. Ngoài ra, nếu kết hợp với một lớp mặt đất trên một mặt phẳng liền kề, cách nhau một khoảng cách gần, chúng tạo thành một loại tụ điện bản song song.

Lớp Tín Hiệu

Cuối cùng, chúng ta có lớp tín hiệu của mình, nơi chúng ta sẽ định tuyến các đường dẫn của mình, hiệu quả tạo ra đường đi về phía trước của tín hiệu. Như đã thấy trước đó, chúng ta có thể sử dụng một lớp mặt đất hoặc trong một số trường hợp thậm chí là một lớp nguồn như một tham chiếu cho đường trở về của chúng ta.

Đường Trở Về và Tham Chiếu

Giờ đây, câu hỏi đặt ra là, làm thế nào chúng ta có thể phân loại các lớp trong một PCB một cách hợp lý? Chúng ta có một số mục tiêu về hiệu suất EMI, tính toàn vẹn của tín hiệu và nguồn điện, và chúng ta muốn một phương pháp hệ thống để quyết định cấu trúc xếp chồng. Chúng ta không muốn chỉ đơn giản là phân loại các loại lớp một cách tùy tiện.

Có một vài quy tắc vàng. Đầu tiên, đối với tín hiệu AC trong vùng vài kHz, đường trở về không phải là đường ngắn nhất mà là đường ngay dưới dấu vết (đường đi về phía trước). Đây là phần có trở kháng thấp nhất. Ví dụ, đối với một dấu vết trên lớp tín hiệu trên cùng và một mặt đất trực tiếp bên dưới trên lớp hai, đường đi về phía trước nằm trên lớp tín hiệu, và đường trở về nằm ngay dưới dấu vết đó trên mặt đất bên dưới.

Một điều khác cần xem xét là năng lượng tín hiệu chảy trong không gian điện mô giữa đồng (dấu vết và mặt phẳng). Do đó, đồng chỉ đơn giản là một hướng dẫn sóng. Để có tính toàn vẹn tín hiệu và hiệu suất EMI tốt, chúng ta cần phải xem xét cả đường đi về phía trước và đường trở về, nơi năng lượng tín hiệu chảy qua, và cách nó được ràng buộc giữa đường đi về phía trước và đường trở về.

Bản chất, việc ghép chặt giữa các lớp tín hiệu và mặt đất cũng như giữa lớp nguồn và mặt đất là điều mong muốn để ngăn chặn sự lan truyền của các trường. Mục tiêu chính của chúng ta là tránh sự lan truyền của các trường, vì sự lan truyền của các trường dẫn đến sự ghép nối từ tín hiệu này sang tín hiệu khác, dẫn đến hiện tượng nhiễu chéo. Sự lan truyền của các trường cũng có nghĩa là một hình thức bức xạ nào đó, dẫn đến các vấn đề về EMI.

Phân công các Lớp và Cặp Lớp

Làm thế nào chúng ta có thể ngăn chặn sự lan truyền của các trường và giữ chúng lại?

Điều quan trọng mà chúng ta, như các kỹ sư thiết kế PCB, cần phải nhớ, là mỗi đường dẫn tín hiệu hoặc nguồn đi về phía trước cần có một tham chiếu ghép chặt gần gũi. Ngoài ra, đối với các tín hiệu tốc độ cao hoặc năng lượng cao hơn, việc sử dụng đường dẫn stripline thay vì microstrip cũng là một lựa chọn hợp lý. Stripline có nghĩa là chúng ta có một đường dẫn tín hiệu được kẹp giữa hai mặt đất, cung cấp sự ghép nối trường tốt từ tín hiệu đến cả hai mặt đất ở hai bên.

Như đã nói trước đó, một điểm khác cần xem xét là các lớp nguồn và mặt đất liền kề. Điều này nhằm cải thiện việc cung cấp nguồn ở các tần số cao, nơi mà các tụ điện SMD (kể cả những cái có gói nhỏ) bắt đầu có vẻ như có tính cảm ứng. 

Bản chất, khi thiết kế một bố cục lớp, hãy tuân theo quy tắc đơn giản là có ít nhất một lớp tham chiếu mặt đất gần kề với bất kỳ lớp tín hiệu hoặc lớp nguồn nào, và bạn sẽ khá an toàn để bắt đầu.

Cấu trúc Đa lớp Được Khuyến Nghị

Cuối cùng, đây là một số cấu trúc đa lớp yêu thích của tôi tuân theo các hướng dẫn mà chúng tôi đã trình bày trước đây.

Bốn lớp (nguồn được định tuyến): SIG – GND – GND – SIG

Sáu lớp: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Tám lớp: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Video của Rick Hartley

Cuối cùng, tôi không thể không khuyến nghị đủ một video của Rick Hartley về cách đạt được tiếp địa đúng cách và chọn cấu trúc lớp của bạn một cách chính xác. Trong video, Rick nói về nhiều nguyên tắc được trình bày trong bài viết này một cách chi tiết hơn. Hãy xem video trên kênh YouTube của Altium.