Правильная структура слоев на печатных платах
Правильная структура слоев с первого раза: руководство для каждого инженера
Достаточно ли времени вы тратите на проектирование структуры слоев? Если вы поступаете так же, как большинство конструкторов, то, скорее всего вы просто решаете, сколько слоев вам понадобится, а все остальное перекладываете на плечи изготовителя. Согласитесь, неверно спроектированная структура слоев может привести к неприятным проблемам, таким как избыточное тепловыделение, перекрестные помехи и несогласованность полного сопротивления. Чтобы не столкнуться ни с одной из этих проблем, каждая из которых может нанести огромный ущерб вашему проекту, лучше сразу позаботится о структуре, применив все свои знания непосредственно на этапе проектирования. Готовы к новому взгляду на проектирование структуры слоев? Давайте посмотрим, как можно каждый раз безошибочно и с первого раза составлять структуру слоев.
Структура слоев вчера и сегодня
Прошли те дни, когда печатные платы были односторонними и не имели переходных отверстий. В то время тактовые частоты не превышали 100 кГц, и в основном использовались радиодетали, устанавливаемые в отверстия. В наши дни можно встретить печатные платы с 50 слоями, имеющие электронные компоненты, установленные на обеих сторонах, а некоторые компоненты на них даже размещены между слоями. Сейчас килогерцовые сигналы передаются на скорости 28 Гб/с и более. Смысл в том, что по мере развития технологии производства печатных плат, увеличилась важность предварительного планирования структуры слоев в начале разработки конструкции платы.
Прощайте однослойные платы. В наши дни структуры слоев куда сложнее
На первый взгляд структура слоев может выглядеть обманчиво простой. В конце концов, разве она не описывает всего лишь базовую конструкцию печатной платы, состоящей из набора слоев? Не смотря на то, что структура слоев может быть просто визуальным отображением поперечного сечения печатной платы, ее роль крайне важна для вашей конструкции. Знаете ли вы, что она может:
Помочь вам минимизировать излучение и защитить вашу электронную схему от воздействия внешних источников шума;
Помочь вам уменьшить перекрестные помехи и проблемы с полным сопротивлением при разработке конструкций высокоскоростных печатных плат;
Помочь вам найти равновесие между решением проблем целостности сигналов и потребностью в недорогих и эффективных методах производства.
И что самое важное – знаете ли вы, что правильно спроектированная структура слоев – это один из самых ценных инструментов для улучшения электромагнитной совместимости вашей конструкции? Поэтому, прежде чем браться за расчет полных сопротивлений или за выравнивание длин токопроводящих дорожек для минимизации электромагнитных помех на вашей плате, вам следует начать с правильного планирования структуры слоев.
Не имея плана использования материалов, представления о порядке их расположения, вы впоследствии можете столкнуться с такими проблемами, как плохие электрические характеристики, увеличенное электромагнитное излучение и даже со сбоями синхронизации. Все эти проблемы, а также многие другие могут быть решены, если вы сделаете усилие и сразу правильно спланируете структуру слоев.
Какая структура слоев нужна вам?
Ответ на этот вопрос главным образом зависит от заданных требований к вашей конструкции. В наши дни печатные платы, изготавливаемые на производстве, можно разбить на две основные категории: однослойные печатные платы и многослойные печатные платы. Остановимся на них поподробнее.
Однослойная печатная плата идеальна для большинства простых устройств. Она имеет один или два слоя, выполненных из меди (верхний и нижний слои), на которых размещаются радиодетали и токопроводящие дорожки. Поскольку такие платы не являются темой данного блога, хорошо просто знать, что они все еще существуют и применимы до диапазона частот не более 25 МГц.
Большее количество слоев дает вам не только возможность размещения большего числа токопроводящих дорожек. По мере роста требований к рабочей частоте, вы начинаете жить в мире многослойных печатных плат. Этот тип плат имеет преимущество, заключающееся во множестве ядер, которые имеют симметрично-сбалансированную структуру чередующихся слоев меди, разделенных слоями изоляционного материала. Взгляните на рисунок ниже, где изображена структура слоев печатной платы с восемью слоями.
Структура печатной платы с восемью слоями.
Здесь много места для высокочастотных сигналов
Но зачем вам вообще использовать многослойную печатную плату? Вот несколько веских причин:
Хорошо известно, что уровень излучения четырехслойной печатной платы на 15 дБ меньше, чем у двухслойной печатной платы с теми же самыми характеристиками;
Огромное преимущества проектирования многослойной печатной платы заключается в том, что она может содержать отдельные слои для заземления, сигнала, питания и т. д.;
Многослойные печатные платы позволяют также формировать из токопроводящих дорожек микрополосковые линии и полосковые волноводы.
Выбирая многослойную печатную плату, вы также получаете преимущество в том, что у вас появляется несколько слоев для заземления, которые помогают уменьшить полное сопротивление и помехи на заземляющем слое в каждой конструкции. Все еще не уверены, что вам нужна многослойная печатная плата?
Воспользуйтесь нашим общим эмпирическим правилом: если частотный диапазон превышает 10-15 МГц, то для выполнения задачи необходимы многослойные печатные платы
Планирование структуры слоев
При планировании структуры слоев, большинство конструкторов просто определяют необходимое количество слоев и что-нибудь еще. Тем не менее, необходимо найти куда большее число неизвестных при планировании полноценного набора слоев, в том числе:
Сколько слоев требует ваша конструкция;
Какое расстояние необходимо между слоями;
Как слои должны быть структурированы и организованы;
Какое количество слоев питания/заземления требует ваша конструкция.
Когда вы решаете, сколько слоев необходимо для вашей конструкции, вы все глубже погружаетесь в детали, появляются новые ограничения, которые нужно учитывать, например:
Количество сигнальных линий, которые необходимо проложить;
Частота ваших сигналов
Какому типу требований ECC к электромагнитному излучению должна удовлетворять ваша плата – по классу А или по классу В.
Найдя не одну, а все эти переменные, вы можете переходить к расчету требуемой конструкцией количества слоев. Также вы можете воспользоваться таблицей ниже для оценки количества слоев вашей платы на основании плотности расположения выводов компонентов:
Вы также можете использовать уравнение ниже для расчета необходимого количества слоев для токопроводящих дорожек:
