Como projetar planos de imagem para PCBs de alta velocidade

Hoje em dia, PCBs multicamadas são usados ​​na maioria dos sistemas de circuitos de alta velocidade e muitos sistemas de circuitos têm vários poderes operacionais, fornecendo requisitos rigorosos para o projeto de planos de imagem, especialmente o estabelecimento de relações entre vários planos de energia/terra. Além disso, a superfície revestida de cobre especial precisa ser projetada no projeto da camada do dispositivo para impedir que os osciladores produzam energia de RF (radiofrequência) e fornecer excelente dissipação de calor para componentes de alta potência.

Funções dos planos de imagem

Planos de imagem são uma superfície revestida de cobre adjacente às camadas de sinal em placas de circuito impresso. As principais funções dos planos de imagem incluem:


1). Reduzindo o ruído de refluxo e EMI (Electro Magnetic Interference). Planos de imagem fornecem caminhos com baixa impedância para refluxo de sinal, especialmente quando uma grande corrente está fluindo no sistema de distribuição de energia. Além disso, eles diminuem a área do anel fechado formada pelo sinal e refluxo para que a EMI diminua.


2). Controlando a diafonia entre as linhas de sinal no circuito digital de alta velocidade. A diafonia é determinada pela razão D/H em que D se refere à distância entre a fonte de interferência e o objeto interferido e H se refere à altura dos planos de imagem entre as camadas de sinal. A relação D/H pode ser controlada alterando o valor de H para que a diafonia entre as linhas de sinal seja finalmente controlada.


3). Controle de impedância. A impedância característica da fiação impressa está relacionada à largura dos fios e à altura entre os fios e os planos de imagem. Se não houver plano de imagem, é possível que a impedância não possa ser controlada, o que leva à falha na correspondência da linha de transmissão e na reflexão do sinal.


Além disso, os planos de imagem também são capazes de controlar o ruído da reflexão para as placas externas. Deve-se reconhecer que os planos de imagem por si só não são suficientes para a implementação dessas funções, regras estritas de design devem ser complementadas para atingir os objetivos esperados. Este fato pode ser colocado como:para controlar o ruído em circuitos digitais de alta velocidade, os planos de imagem são essenciais, mas não podem funcionar sozinhos.

Pular camada de refluxo de sinal

Em PCBs multicamadas, cada camada de layout deve ser adjacente a um plano de imagem e o circuito de retorno de sinal flui no plano de imagem correspondente. Quando uma linha de sinal não está passando por uma camada de layout, o método comum é que a primeira linha de sinal seja conectada a uma camada de layout e, em seguida, a linha de sinal seja conectada a outra camada por orifícios passantes. Portanto, a linha de sinal está pulando de uma camada para outra, assim como a corrente retornando seguindo o mesmo caminho. Quando ambas as camadas são camadas de terra, a corrente de retorno é capaz de pular através de orifícios que conectam duas camadas ou pinos de terra. Quando uma camada é a camada de energia e a outra é a camada de terra, a única oportunidade da corrente de retorno de pular entre as camadas é a posição com o capacitor de desacoplamento colocado. Se não houver capacitor de desacoplamento ou orifícios de passagem conectando a camada de terra, o salto deve ser feito pela corrente de retorno que deve seguir o caminho mais distante, o que faz com que a corrente de retorno desacoplada de outros circuitos seja causada por diafonia e EMI.


Como resultado, no processo de projeto de PCB, o salto de camada deve ser definido nos pinos de aterramento adjacentes aos componentes ou ao redor do capacitor de desacoplamento na melhor das hipóteses. Quando isso não pode se tornar realidade, aterramento através de furos (saltando entre duas camadas de terra) ou capacitor de bypass (saltando entre uma camada de energia e uma camada de terra) podem ser colocados no ponto de salto para fazer o retorno da corrente pular.

Planos de divisão

No processo de utilização de PCBs multicamadas, às vezes é necessário gerar uma área sem folha de cobre com certa largura, dividindo um plano de imagem integrado em várias partes independentes, o que é chamado de planos de divisão.


Os planos de divisão geralmente são usados ​​para interromper circuitos sensíveis de interferência de ruído e isolar diferentes tensões de referência, como interromper a entrada de ruído digital na área de entrada/saída analógica, áudio, e isolamento entre tensões de alimentação de 5V e 3,3V.


Os planos de divisão podem ser classificados em divisão completa e divisão incompleta. O primeiro refere-se ao isolamento completo entre as camadas de energia e as camadas de solo após a divisão. Este último refere-se ao isolamento completo entre as camadas de energia enquanto as camadas de terra são conectadas por "pontes". O uso de divisão completa ou incompleta depende de haver conexão de sinal entre os planos de divisão.


• Exemplos de planos de divisão


A Figura 1 faz parte do projeto de planos de imagem do circuito misto analógico e digital de uma plataforma de teste. A entrada analógica de vídeo é transmitida para FPGA pela conversão de AD e saída como conversão de DA. Tanto o AD quanto o DA usam componentes de energia independentes para fornecer energia. Os componentes digitais representam a maior parte do espaço da placa, enquanto os componentes analógicos representam apenas uma pequena parte. No entanto, todos eles são peças essenciais que são importantes para o desempenho de todo o sistema. Portanto, muito cuidado deve ser tomado no processo de lidar com esses componentes. O ideal é que o ruído da parte digital não entre na parte analógica. No entanto, alguns sinais dos conversores AD e DA são conectados ao FPGA da parte digital. Para garantir o refluxo desses sinais conectados, a potência digital e a potência analógica devem ser completamente isoladas, enquanto o terra digital e o terra analógico devem ser isolados de forma incompleta para que a influência da parte analógica da parte digital seja reduzida ao mínimo.

Todas as linhas da parte digital para a parte analógica devem passar pela ponte cujo tamanho de abertura deve ser adequado para a passagem dos fios necessários para que o refluxo do sinal de dados seja capaz de retornar pela ponte, evitando a interferência de outros sinais como resultado de enrolamento para o caminho de retorno. Neste projeto de PCB, os aterramentos da parte AD e DA são completamente isolados um do outro.


• Alguns problemas no processo de divisão de planos


uma. Sobreposição de camadas de isolamento


Nos PCBs multicamadas, os planos de divisão geralmente são usados ​​para isolar diferentes potências. De um modo geral, as camadas de terra correspondentes dessas potências são isoladas entre si, ou seja, cada potência possui sua própria camada de referência. No processo de projeto de PCB, a sobreposição de camadas de isolamento deve ser evitada. Por exemplo, na maioria dos PCBs multicamadas, a camada de alimentação e aterramento da parte analógica e da parte digital são isoladas uma da outra. A camada de energia analógica e a camada de terra digital não devem ser sobrepostas no espaço, como na Figura 2.

Se aparecer uma camada de isolamento sobreposta, uma pequena capacitância de bloco C1 aparecerá na área de sobreposição. A capacitância fará com que a energia de RF seja transmitida de uma camada para outra camada isolada, estática e independente para diminuir a validade do isolamento.


b. Colocação do capacitor de desacoplamento


Para filtrar o ruído com alta frequência gerado por componentes de alta velocidade, muitos capacitores de desacoplamento são dispostos em PCBs. Se planos de divisão saem em PCBs, no processo de layout, possivelmente ocorrerá uma situação em que os pinos de terra do capacitor de desacoplamento não estão conectados com outras camadas de terra de referência em vez da camada de terra correspondente. Este tipo de erro possivelmente ocorrerá e levará ao desacoplamento de ruído de uma camada para outra, o que é semelhante à sobreposição de planos de divisão. É por isso que este problema deve ser tratado na fase de projeto. Tome o circuito misto analógico digital como exemplo novamente. A alimentação analógica é trazida da parte digital através do cordão de ferrite e C1 refere-se à capacitância de desacoplamento da parte digital. Na Figura 3A, os pinos de alimentação de C1 são conectados com alimentação digital enquanto os pinos de terra com aterramento analógico, levando ao desacoplamento do ruído digital com alta frequência na parte analógica sensível, o que é uma conexão errada. A Figura 3B é uma conexão de capacitor de desacoplamento à direita.

c. Aterramento de ponto único


Quando camadas de referência de diferentes potências são conectadas juntas, o aterramento de ponto único deve ser garantido. No circuito misto analógico digital exemplificado, as placas de circuito são classificadas em parte digital e parte analógica e tanto o terra digital quanto o terra analógico possuem pelo menos dois pontos de conexão para que o sinal de ruído possivelmente forme circulação entre duas camadas de referência através dos dois pontos de conexão, que é chamado de "loop de terra". O loop de terra levará a ruído, EMI, consumo de energia e dificuldade de dissipação de calor. Há uma solução fácil para o problema do loop de terra:enquanto houver apenas um ponto de conexão entre as camadas de referência, o loop não pode ser formado.

Camadas terrestres locais

Como parte dos planos de imagem, as camadas de terra locais referem-se a um revestimento de cobre na superfície superior dos PCBs, diretamente conectado com a camada de terra interna. Sua principal função é capturar o fluxo magnético de RF gerado pelo interior de alguns chips-chave (osciladores por exemplo) ou ser utilizado para dissipação de energia.


Para obter um excelente desempenho, osciladores, cristais e suportes de relógio devem ser montados em uma camada de terra local independente. As razões incluem:
1). Se o oscilador estiver empacotado em um revestimento de metal, a corrente de RF gerada dentro do revestimento de metal possivelmente será tão grande que seus pinos de aterramento não conseguirão conduzir a grande corrente ao solo com um método de baixo consumo de energia. Como resultado, este metal folheado torna-se uma antena unipolar.
2). Se a técnica de montagem em superfície for usada ao colocar o oscilador em PCBs, o problema mencionado acima se torna pior, pois o material plástico geralmente é usado em embalagens SMT, interrompendo a corrente de RF conduzida ao ponto de aterramento. Finalmente, a corrente de RF gerada dentro da embalagem será irradiada para o espaço livre e desacoplada com outros componentes.
3). Os osciladores comuns são capazes de conduzir o buffer de clock que pertence a componentes com velocidade super alta e taxa de borda rápida, produzindo uma grande quantidade de corrente de RF, o que possivelmente levará à falha da função atual.


Se uma camada de terra local for montada no oscilador e circuito de relógio, planos de imagem serão fornecidos, usados ​​para capturar a energia de RF gerada no interior do oscilador e circuitos correspondentes para que a radiação de RF possa ser diminuída.

Regra 20-H

Como regra empírica, a regra 20-H descreve que em PCBs multicamadas com alta densidade, a fim de reduzir a energia eletromagnética irradiada para o espaço livre pelas placas de circuito, o tamanho da camada de potência deve ser menor em 20H do que a camada de terra na qual H refere-se à distância entre as duas camadas. Na Figura 4, a parte esquerda indica a camada de energia/terra sem nenhum projeto especial em que a radiação de borda é tão forte que influenciará as funções do circuito adjacente. A parte direita indica a situação da radiação de RF através da diminuição do tamanho da superfície de potência por X-H. Pode-se ver que a camada de solo atrai muitas linhas magnéticas de força e a energia de radiação de RF é diminuída. De acordo com o resultado dos experimentos, a força de radiação de RF começa a diminuir de 10-H; no caso de 20-H, o solo é capaz de atrair 70% do fluxo magnético; no caso de 100-H, a força magnética é capaz de diminuir em 98%.

Naturalmente, 20-H não é perfeito para todas as estruturas de PCB. A eficiência de 20-H depende da frequência de operação, tamanho físico da camada de energia/terra e a distância entre eles, os dois últimos elementos dos quais decidem o SRF (frequência auto-ressonante) da placa PCB. Pesquisas indicam que quando o PCB opera em qualquer SRF, o 20-H não funciona e o solo também não atrai energia de radiação. O que é pior, muita energia de radiação será gerada em seu lugar. Portanto, no circuito prático de alta velocidade, situações específicas devem ser levadas em consideração na decisão de escolher ou não a regra 20-H.

Recursos úteis
• Dicas de layout de alta velocidade
• Técnicas de roteamento de PCB de alta velocidade para reduzir a influência de EMI
• Mal-entendidos e estratégias no projeto de PCB de alta velocidade
• Isométrico diferencial Verificação de processamento e simulação do projeto de PCB de alta velocidade
• Serviço completo de fabricação de PCB da PCBCart - Várias opções de valor agregado
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