Cómo diseñar planos de imagen para PCB de alta velocidad

Hoy en día, los PCB multicapa se utilizan en la mayoría de los sistemas de circuitos de alta velocidad y muchos sistemas de circuitos tienen numerosas potencias operativas, lo que proporciona requisitos estrictos para el diseño de planos de imagen, especialmente el establecimiento de relaciones entre múltiples planos de alimentación/tierra. Además, se debe diseñar una superficie revestida de cobre especial en el diseño de la capa del dispositivo para evitar que los osciladores produzcan energía de RF (radiofrecuencia) y proporcionar una excelente disipación de calor para los componentes de alta potencia.

Funciones de los Planos de Imagen

Los planos de imagen son una superficie revestida de cobre adyacente a las capas de señal en las placas de circuito impreso. Las funciones principales de los planos de imagen incluyen:

1). Reducción del ruido de reflujo y EMI (interferencia electromagnética). Los planos de imagen proporcionan caminos con baja impedancia para el reflujo de la señal, especialmente cuando fluye una gran corriente en el sistema de distribución de energía. Además, disminuyen el área del anillo cerrado formado por la señal y el reflujo para que la EMI disminuya.

2). Control de diafonía entre líneas de señal en circuito digital de alta velocidad. La diafonía está determinada por la relación D/H en la que D se refiere a la distancia entre la fuente de interferencia y el objeto interferido y H se refiere a la altura de los planos de imagen entre las capas de la señal. La relación D/H se puede controlar cambiando el valor de H para que la diafonía entre las líneas de señal se controle en última instancia.

3). Control de impedancia. La impedancia característica del cableado impreso está relacionada con el ancho de los cables y la altura entre los cables y los planos de la imagen. Si no hay un plano de imagen, es posible que no se pueda controlar la impedancia, lo que conduce a fallas en la coincidencia de la línea de transmisión y el reflejo de la señal.

Además, los planos de imagen también son capaces de controlar el ruido del reflejo en las placas exteriores. Se debe reconocer que los planos de imagen por sí solos no son suficientes para la implementación de esas funciones, se deben complementar las estrictas reglas de diseño para lograr los objetivos esperados. Este hecho se puede expresar como:para controlar el ruido en un circuito digital de alta velocidad, los planos de imagen son esenciales pero no pueden funcionar solos.

Omisión de capa de reflujo de señal

En los PCB multicapa, cada capa de diseño debe estar adyacente a un plano de imagen y el circuito de retorno de la señal fluye en el plano de imagen correspondiente. Cuando una línea de señal no pasa a través de una capa de diseño, el método normal es que la primera línea de señal se conecte a una capa de diseño y luego la línea de señal se conecte a otra capa mediante orificios pasantes. Por lo tanto, la línea de señal salta de una capa a otra, al igual que la corriente de retorno que sigue el mismo camino. Cuando ambas capas son capas de tierra, la corriente de retorno es capaz de pasar por los orificios que conectan dos capas o clavijas de tierra. Cuando una capa es la capa de potencia y la otra es la capa de tierra, la única oportunidad de la corriente de retorno de saltar entre capas es la posición con el condensador de desacoplamiento colocado. Si no hay un condensador de desacoplamiento o agujeros pasantes que conecten la capa de tierra, se debe realizar un salto de corriente de retorno que tiene que seguir el camino más lejano, lo que hace que la corriente de retorno se desacople con otros circuitos para que se produzca diafonía y EMI.

Como resultado, en el proceso de diseño de PCB, la omisión de capas debe establecerse en los pines de tierra adyacentes a los componentes o, en el mejor de los casos, alrededor del capacitor de desacoplamiento. Cuando esto no puede hacerse realidad, se pueden colocar orificios de conexión a tierra (saltando entre dos capas de tierra) o un condensador de derivación (saltando entre una capa de alimentación y una capa de tierra) en el punto de salto para hacer que la corriente de retorno salte.

División de planos

En el proceso de uso de PCB multicapa, a veces es necesario generar un área sin lámina de cobre con cierto ancho, dividiendo un plano de imagen integrado en varias partes independientes, lo que se denomina planos de división.

Los planos de división generalmente se usan para detener el ruido que interfiere en los circuitos sensibles y aislar diferentes voltajes de referencia, como detener el ruido digital que ingresa al área analógica, de audio, de E/S y el aislamiento entre los voltajes de alimentación de 5 V y 3,3 V.

Los planos de división se pueden clasificar en división completa y división incompleta. El primero se refiere al completo aislamiento entre las capas de potencia y las capas de tierra después de la división. Este último se refiere al aislamiento completo entre las capas de potencia mientras que las capas de tierra están conectadas por "puentes". El uso de división completa o incompleta depende de si hay una conexión de señal entre los planos de división.

• Ejemplos de división de planos

La figura 1 es parte del diseño de planos de imagen del circuito mixto analógico y digital de una plataforma de prueba. La entrada analógica de video se transmite a FPGA mediante la conversión de AD y la salida como conversión de DA. Tanto AD como DA usan un componente de energía independiente para proporcionar energía. Los componentes digitales representan la mayor parte del espacio de la placa, mientras que los componentes analógicos solo representan una pequeña parte. Sin embargo, todos ellos son partes esenciales que son importantes para el funcionamiento de todo el sistema. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado en el proceso de tratar con esos componentes. Es ideal que el ruido de la parte digital no entre en la parte analógica. Sin embargo, algunas señales de los convertidores AD y DA están conectadas a la FPGA de la parte digital. Para garantizar el reflujo de estas señales conectadas, la potencia digital y la potencia analógica deben estar completamente aisladas, mientras que la tierra digital y la tierra analógica deben estar incompletamente aisladas para que la influencia de la parte analógica de la parte digital se reduzca al mínimo.

Todas las líneas de la parte digital a la parte analógica deben pasar a través del puente, cuyo tamaño de apertura debe ser adecuado para el paso de los cables necesarios, de modo que el reflujo de la señal de datos pueda regresar por el puente, evitando como resultado la interferencia con otras señales. de sinuoso para el camino de regreso. En este diseño de PCB, las conexiones a tierra de las partes AD y DA están completamente aisladas entre sí.

• Algunos problemas en el proceso de división de planos

una. Superposición de capas de aislamiento

En los PCB multicapa se suelen utilizar planos de división para aislar diferentes potencias. En términos generales, las capas de tierra correspondientes de estos poderes están aisladas entre sí, es decir, cada poder tiene su propia capa de referencia. En el proceso de diseño de PCB, se debe evitar la superposición de capas de aislamiento. Por ejemplo, en la mayoría de las PCB multicapa, la capa de alimentación y tierra de la parte analógica y la parte digital están aisladas entre sí. La capa de potencia analógica y la capa de tierra digital no deben superponerse en el espacio como en la Figura 2.

Si aparece una capa de aislamiento superpuesta, aparecerá una pequeña capacitancia de almohadilla C1 en el área superpuesta. La capacitancia hará que la energía RF se transmita de una capa a otra aislada, estática e independiente para disminuir la validez del aislamiento.

b. Colocación del condensador de desacoplamiento

Para filtrar el ruido de alta frecuencia generado por los componentes de alta velocidad, se colocan muchos condensadores de desacoplamiento en las PCB. Si aparecen planos de división en las PCB, en el proceso de diseño posiblemente se produzca una situación en la que los pines de tierra del condensador de desacoplamiento no estén conectados con otras capas de tierra de referencia en lugar de la capa de tierra correspondiente. Es posible que este tipo de error se produzca y provoque que el ruido se desacople de una capa a otra, lo que es similar a la superposición de planos divididos. Es por eso que este problema debe ser tratado en la etapa de diseño. Tome el circuito mixto analógico digital como ejemplo nuevamente. La energía analógica se trae desde la parte digital a través de un cordón de ferrita y C1 se refiere a la capacitancia de desacoplamiento de la parte digital. En la Figura 3A, los pines de alimentación de C1 están conectados con alimentación digital mientras que los pines de tierra están conectados a tierra analógica, lo que provoca el desacoplamiento del ruido digital con alta frecuencia en la parte analógica sensible, lo cual es una conexión incorrecta. La figura 3B es una conexión de condensador de desacoplamiento derecho.

C. Puesta a tierra de un solo punto

Cuando se conectan entre sí capas de referencia de diferentes potencias, se debe garantizar la puesta a tierra de un solo punto. En el circuito mixto analógico digital ejemplificado, las placas de circuito se clasifican en parte digital y parte analógica, y tanto la tierra digital como la tierra analógica tienen al menos dos puntos de conexión, de modo que la señal de ruido posiblemente forme circulación entre dos capas de referencia a través de los dos puntos de conexión, lo cual es llamado "bucle de tierra". El bucle de tierra provocará ruido, EMI, consumo de energía y dificultad para disipar el calor. Hay una solución fácil para el problema del bucle de tierra:siempre que solo haya un punto de conexión entre las capas de referencia, no se puede formar el bucle.

Capas de tierra locales

Como parte de los planos de imagen, las capas de tierra locales se refieren a un revestimiento de cobre en la superficie superior de las PCB, conectado directamente con la capa de tierra interna. Su función principal es capturar el flujo magnético de RF generado por el interior de algunos chips clave (los osciladores, por ejemplo) o usarse para disipar energía.

Para obtener un rendimiento excelente, los soportes de osciladores, cristales y relojes deben ensamblarse en una capa de tierra local independiente. Las razones incluyen:
1). Si el oscilador está empacado en un revestimiento de metal, la corriente de RF generada dentro del revestimiento de metal posiblemente sea tan grande que sus pines de tierra no puedan conducir la gran corriente a tierra con un método de bajo consumo de energía. Como resultado, este revestimiento de metal se convierte en una antena unipolar.
2). Si se usa la técnica de ensamblaje de montaje en superficie al colocar el oscilador en PCB, el problema mencionado anteriormente empeora, ya que generalmente se usa material plástico en el empaque SMT, lo que detiene la corriente de RF dirigida al punto de tierra. Finalmente, la corriente de RF generada dentro del embalaje se irradiará al espacio libre y se desacoplará con otros componentes.
3). Los osciladores ordinarios son capaces de impulsar el búfer de reloj que pertenece a los componentes con una velocidad súper alta y una tasa de flanco rápida, produciendo una gran cantidad de corriente de RF, lo que posiblemente provocará una falla en la función actual.

Si se ensambla una capa de tierra local en el oscilador y el circuito del reloj, se proporcionarán planos de imagen que se utilizarán para capturar la energía de radiofrecuencia generada en el interior del oscilador y los circuitos correspondientes para que la radiación de radiofrecuencia pueda disminuir.

Regla de las 20 H

Como regla empírica, la regla 20-H describe que en PCB multicapa con alta densidad, para reducir la energía electromagnética radiada al espacio libre por las placas de circuito, el tamaño de la capa de potencia debe ser 20H más pequeño que el de la capa de tierra en la que H se refiere a la distancia entre las dos capas. En la Figura 4, la parte izquierda indica la capa de potencia/tierra sin ningún diseño especial en el que la radiación del borde es tan fuerte que influirá en las funciones del circuito adyacente. La parte derecha indica la situación de radiación de RF a través de la disminución del tamaño de la superficie de potencia por X-H. Se puede ver que la capa de tierra atrae muchas líneas de fuerza magnética y la energía de radiación de RF disminuye. De acuerdo con el resultado de los experimentos, la fuerza de radiación de RF comienza a disminuir desde 10-H; en el caso de 20-H, la tierra es capaz de atraer el 70% del flujo magnético; en el caso de 100-H, la fuerza magnética es capaz de disminuir en un 98 %.

Naturalmente, 20-H no es perfecto para todas las estructuras de PCB. La eficiencia de 20-H depende de la frecuencia de funcionamiento, el tamaño físico de la capa de alimentación/tierra y la distancia entre ellos, los dos últimos elementos que deciden la SRF (frecuencia de autorresonancia) de la placa PCB. Las investigaciones indican que cuando la PCB funciona en cualquier SRF, 20-H no funciona y la tierra tampoco atrae la energía de la radiación. Lo que es peor, en su lugar se generará mucha energía de radiación. Por lo tanto, en el circuito práctico de alta velocidad, se deben tener en cuenta situaciones específicas al decidir si se elige o no la regla 20-H.

Recursos útiles
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