Comment concevoir des plans d'image pour les PCB haute vitesse

De nos jours, les PCB multicouches sont utilisés dans la plupart des systèmes de circuits à grande vitesse et de nombreux systèmes de circuits ont de nombreuses puissances de fonctionnement, fournissant des exigences strictes à la conception des plans d'image, en particulier le règlement des relations entre plusieurs plans d'alimentation/sol. En outre, une surface plaquée de cuivre spéciale doit être conçue sur la conception de la couche de l'appareil afin d'empêcher les oscillateurs de produire de l'énergie RF (radiofréquence) et de fournir une excellente dissipation thermique pour les composants à haute puissance.

Fonctions des plans d'image

Les plans d'image sont une surface recouverte de cuivre adjacente aux couches de signal dans les cartes de circuits imprimés. Les principales fonctions des plans d'image incluent :

1). Réduction du bruit de refusion et des EMI (interférences électromagnétiques). Les plans d'image fournissent des chemins à faible impédance pour la refusion du signal, en particulier lorsqu'un courant important circule dans le système de distribution d'énergie. De plus, ils diminuent la zone d'anneau fermé formée par le signal et la refusion afin que les EMI diminuent.

2). Contrôle de la diaphonie entre les lignes de signal dans un circuit numérique à grande vitesse. La diaphonie est déterminée par le rapport D/H dans lequel D fait référence à la distance entre la source d'interférence et l'objet interféré et H fait référence à la hauteur des plans d'image entre les couches de signal. Le rapport D/H peut être contrôlé en modifiant la valeur de H afin que la diaphonie entre les lignes de signal soit finalement contrôlée.

3). Contrôle de l'impédance. L'impédance caractéristique du câblage imprimé est liée à la largeur des fils et à la hauteur entre les fils et les plans d'image. S'il n'y a pas de plan image, il est possible que l'impédance ne puisse pas être contrôlée, ce qui entraîne l'échec de l'adaptation de la ligne de transmission et de la réflexion du signal.

En outre, les plans d'image sont également capables de contrôler le bruit de réflexion sur les cartes extérieures. Il faut reconnaître que les plans images seuls ne suffisent pas pour la mise en œuvre de ces fonctions. Des règles de conception strictes doivent être complétées pour atteindre les objectifs attendus. Ce fait peut être défini comme suit :pour contrôler le bruit dans un circuit numérique à grande vitesse, les plans d'image sont essentiels, mais ils ne peuvent pas fonctionner seuls.

Saut de couche de la redistribution du signal

Dans les PCB multicouches, chaque couche de disposition doit être adjacente à un plan d'image et le circuit de retour des flux de signaux sur le plan d'image correspondant. Lorsqu'une ligne de signal ne traverse pas une couche de mise en page, la méthode ordinaire consiste à connecter la première ligne de signal à une couche de mise en page, puis à connecter la ligne de signal à une autre couche par des trous traversants. Par conséquent, la ligne de signal saute d'une couche à l'autre, de même que le courant de retour suivant le même chemin. Lorsque les deux couches sont des couches de masse, le courant de retour est capable de passer par des trous traversants reliant deux couches ou des broches de masse. Lorsqu'une couche est une couche d'alimentation et l'autre est une couche de masse, la seule possibilité de saut de courant entre les couches est la position avec le condensateur de découplage placé. S'il n'y a pas de condensateur de découplage ou de trous traversants reliant la couche de masse, le saut doit être effectué en renvoyant le courant qui doit suivre le chemin le plus éloigné, ce qui rend le courant de retour découplé avec d'autres circuits de sorte que la diaphonie et les EMI seront provoquées.

Par conséquent, dans le processus de conception de PCB, le saut de couche doit être défini au niveau des broches de masse adjacentes aux composants ou autour du condensateur de découplage au mieux. Lorsque cela ne peut pas se réaliser, des trous de mise à la terre (sautant entre deux couches de masse) ou un condensateur de dérivation (sautant entre une couche d'alimentation et une couche de masse) peuvent être placés au point de saut afin de faire sauter le courant de retour.

Séparer les plans

Dans le processus d'utilisation de PCB multicouches, il est parfois nécessaire de générer une zone sans feuille de cuivre d'une certaine largeur, en divisant un plan d'image intégré en plusieurs parties indépendantes, appelées plans de division.

Les plans de séparation sont généralement utilisés pour arrêter les circuits sensibles interférant avec le bruit et isoler différentes tensions de référence, telles que l'arrêt du bruit numérique entrant dans l'analogique, l'audio, la zone d'E/S et l'isolation entre les tensions d'alimentation de 5 V et 3,3 V.

Les plans de fractionnement peuvent être classés en fractionnement complet et en fractionnement incomplet. Le premier fait référence à l'isolement complet entre les couches de puissance et les couches de masse après séparation. Ce dernier fait référence à l'isolation complète entre les couches de puissance tandis que les couches de masse sont reliées par des "ponts". L'utilisation d'un fractionnement complet ou incomplet dépend de l'existence ou non d'une connexion de signal entre les plans de fractionnement.

• Exemples de plans de séparation

La figure 1 fait partie des plans image de conception du circuit mixte analogique et numérique d'une plate-forme de test. L'entrée vidéo analogique est transmise au FPGA par la conversion de l'AD et la sortie en tant que conversion DA. AD et DA utilisent tous deux un composant d'alimentation indépendant pour fournir de l'énergie. Les composants numériques occupent la majeure partie de l'espace de la carte tandis que les composants analogiques ne représentent qu'une petite partie. Cependant, tous sont des éléments essentiels qui sont importants pour la performance de l'ensemble du système. Par conséquent, beaucoup de soin doit être pris dans le processus de traitement de ces composants. Il est idéal que le bruit de la partie numérique n'entre pas dans la partie analogique. Cependant, certains signaux des convertisseurs AD et DA sont connectés au FPGA de la partie numérique. Afin d'assurer la refusion de ces signaux connectés, l'alimentation numérique et l'alimentation analogique doivent être complètement isolées tandis que la masse numérique et la masse analogique doivent être incomplètement isolées afin que l'influence de la partie analogique de la partie numérique soit réduite au minimum.

Toutes les lignes de la partie numérique à la partie analogique doivent passer par le pont dont la taille d'ouverture doit être juste adaptée au passage des fils requis afin que la refusion du signal de données puisse revenir par le pont, évitant ainsi les interférences avec d'autres signaux. d'enroulement pour le chemin de retour. Dans cette conception de PCB, les masses des parties AD et DA sont complètement isolées l'une de l'autre.

• Quelques problèmes dans le processus de séparation des avions

un. Chevauchement des couches d'isolation

Dans les PCB multicouches, les plans de séparation sont généralement utilisés pour isoler différentes puissances. D'une manière générale, les couches de masse correspondantes de ces puissances sont isolées les unes des autres, c'est-à-dire que chaque puissance a sa propre couche de référence. Dans le processus de conception de PCB, le chevauchement des couches d'isolation doit être évité. Par exemple, dans la plupart des PCB multicouches, les couches d'alimentation et de masse de la partie analogique et de la partie numérique sont isolées l'une de l'autre. La couche d'alimentation analogique et la couche de masse numérique ne doivent pas se chevaucher dans l'espace comme la figure 2.

Si une couche d'isolation superposée apparaît, une petite capacité de plot C1 apparaîtra dans la zone de chevauchement. La capacité rendra l'énergie RF transmise d'une couche à une autre couche isolée, statique et indépendante pour diminuer la validité de l'isolation.

b. Placement des condensateurs de découplage

Pour filtrer le bruit à haute fréquence généré par les composants rapides, de nombreux condensateurs de découplage sont disposés sur des PCB. Si des plans de séparation apparaissent dans les PCB, lors du processus de mise en page, une situation se produira peut-être dans laquelle les broches de masse du condensateur de découplage ne sont pas connectées à d'autres couches de masse de référence au lieu de la couche de masse correspondante. Ce type d'erreur aura éventuellement lieu et conduit au découplage du bruit d'une couche à l'autre, ce qui est similaire à des plans de séparation qui se chevauchent. C'est pourquoi ce problème doit être traité au stade de la conception. Prenons à nouveau le circuit mixte analogique numérique comme exemple. La puissance analogique est amenée de la partie numérique via la perle de ferrite et C1 fait référence à la capacité de découplage de la partie numérique. Sur la figure 3A, les broches d'alimentation de C1 sont connectées à l'alimentation numérique tandis que les broches de masse à la masse analogique, conduisent au découplage du bruit numérique à haute fréquence dans la partie analogique sensible, ce qui est une mauvaise connexion. La figure 3B est une connexion droite du condensateur de découplage.

c. Mise à la terre en un seul point

Lorsque des couches de référence de différentes puissances sont connectées ensemble, une mise à la terre en un seul point doit être assurée. Dans le circuit mixte analogique numérique illustré, les cartes de circuits imprimés sont classées en partie numérique et partie analogique et la masse numérique et la masse analogique ont au moins deux points de connexion de sorte que le signal de bruit forme éventuellement une circulation entre deux couches de référence à travers les deux points de connexion, ce qui est appelée "boucle de masse". La boucle de masse entraînera du bruit, des EMI, de la consommation d'énergie et des difficultés de dissipation de la chaleur. Il existe une solution simple au problème de la boucle de masse :tant qu'il n'y a qu'un seul point de connexion entre les couches de référence, aucune boucle ne peut se former.

Couches de sol locales

Dans le cadre des plans d'image, les couches de masse locales font référence à une gaine de cuivre sur la surface supérieure des PCB, directement connectée à la couche de masse interne. Sa fonction principale est de capter le flux magnétique RF généré par l'intérieur de certaines puces clés (oscillateurs par exemple) ou d'être utilisé pour la dissipation de puissance.

Pour obtenir d'excellentes performances, les oscillateurs, cristaux et supports d'horloge doivent être assemblés sur une couche de masse locale indépendante. Les raisons incluent :
1). Si l'oscillateur est emballé dans une gaine métallique, le courant RF généré à l'intérieur de la gaine métallique sera peut-être si important que ses broches de masse ne parviennent pas à conduire le courant important vers la masse avec une méthode de faible consommation d'énergie. En conséquence, ce revêtement métallique devient une antenne unipolaire.
2). Si la technique d'assemblage de montage en surface est utilisée lors du placement de l'oscillateur sur les circuits imprimés, le problème mentionné ci-dessus s'aggrave car le matériau plastique est généralement utilisé dans les boîtiers SMT, arrêtant le courant RF conduit au point de masse. Enfin, le courant RF généré à l'intérieur de l'emballage sera rayonné dans l'espace libre et découplé avec d'autres composants.
3). Les oscillateurs ordinaires sont capables de piloter une mémoire tampon d'horloge qui appartient aux composants à très haute vitesse et à fréquence de front rapide, produisant une grande quantité de courant RF, ce qui peut entraîner une défaillance de la fonction actuelle.

Si une couche de masse locale est assemblée dans l'oscillateur et le circuit d'horloge, des plans d'image seront fournis, utilisés pour capter l'énergie RF générée à l'intérieur de l'oscillateur et des circuits correspondants afin que le rayonnement RF puisse être diminué.

Règle des 20 H

En tant que règle empirique, la règle 20-H décrit que dans les PCB multicouches à haute densité, afin de réduire l'énergie électromagnétique rayonnée vers l'espace libre par les cartes de circuits imprimés, la taille de la couche de puissance doit être inférieure de 20H à celle de la couche de masse dans laquelle H fait référence à la distance entre les deux couches. Sur la figure 4, la partie gauche indique la couche d'alimentation/masse sans aucune conception spéciale dans laquelle le rayonnement de bord est si fort qu'il influencera les fonctions du circuit adjacent. La partie droite indique la situation de rayonnement RF en diminuant la taille de la surface de puissance de X-H. On peut voir que la couche de sol attire de nombreuses lignes de force magnétiques et que l'énergie de rayonnement RF est réduite. Selon le résultat des expériences, la force de rayonnement RF commence à descendre à partir de 10-H ; dans le cas du 20-H, le sol est capable d'attirer 70 % du flux magnétique; dans le cas de 100-H, la force magnétique est capable de diminuer de 98 %.

Naturellement, le 20-H n'est pas parfait pour toutes les structures de PCB. L'efficacité du 20-H dépend de la fréquence de fonctionnement, de la taille physique de la couche d'alimentation/terre et de la distance entre eux, ces deux derniers éléments déterminant la SRF (fréquence auto-résonnante) de la carte PCB. La recherche indique que lorsque le PCB fonctionne à n'importe quel SRF, le 20-H ne fonctionne pas et la terre ne parvient pas non plus à attirer l'énergie de rayonnement. Pire encore, beaucoup d'énergie de rayonnement sera générée à la place. Par conséquent, dans le circuit pratique à grande vitesse, des situations spécifiques doivent être prises en compte pour décider de choisir ou non la règle 20-H.

Ressources utiles
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