Heutzutage,mehrlagige Leiterplattenwerden in den meisten Hochgeschwindigkeits-Schaltungssystemen eingesetzt, und viele Schaltungssysteme verfügen über zahlreiche Betriebsspannungen, was strenge Anforderungen an die Gestaltung der Ebenen stellt, insbesondere an die Lösung der Beziehungen zwischen mehreren Versorgungs- und Masseebenen. Außerdem muss auf der Bauteilebene eine spezielle Kupferbeschichtung entworfen werden, um zu verhindern, dass Oszillatoren HF‑Energie (Hochfrequenzenergie) erzeugen, und um eine hervorragende Wärmeableitung für Hochleistungskomponenten zu gewährleisten.
Funktionen von Bildebenen
Bildflächen sind kupferbeschichtete Flächen, die an Signallagen in Leiterplatten angrenzen. Die Hauptfunktionen von Bildflächen umfassen:
1).Reduzierung von Rückflussrauschen und EMI (Elektromagnetische Störung). Bildebenen bieten Pfaden einen geringen Impedanzweg für den Signalrückfluss, insbesondere wenn im Stromverteilungssystem große Ströme fließen. Außerdem verringern sie die geschlossene Schleifenfläche, die durch Signal und Rückfluss gebildet wird, sodass die EMV‑Störungen abnehmen.
2).Steuerung des Übersprechens zwischen Signalleitungen in Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen. Das Übersprechen wird durch das Verhältnis D/H bestimmt, wobei sich D auf den Abstand zwischen Störquelle und gestörtem Objekt bezieht und H auf die Höhe der Bildebenen zwischen Signallagen. Das Verhältnis D/H kann durch Änderung des Wertes von H gesteuert werden, sodass das Übersprechen zwischen Signalleitungen letztendlich kontrolliert wird.
3).Steuerung der Impedanz. Die charakteristische Impedanz von Leiterplattenverdrahtungen hängt von der Breite der Leiterbahnen und dem Abstand zwischen den Leiterbahnen und den Bezugsebenen ab. Wenn keine Bezugsebene vorhanden ist, ist es möglich, dass die Impedanz nicht kontrolliert werden kann, was zum Fehlschlagen der Leitungsanpassung und zu Signalreflexionen führt.
Außerdem sind Bildflächen auch in der Lage, das Rauschen von Reflexionen zu den äußeren Leiterbahnen zu kontrollieren. Es muss anerkannt werden, dass Bildflächen allein für die Umsetzung dieser Funktionen nicht ausreichen; strenge Designregeln müssen ergänzt werden, um die erwarteten Ziele zu erreichen. Diese Tatsache lässt sich so formulieren: Um Rauschen in Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen zu kontrollieren, sind Bildflächen unerlässlich, aber sie können nicht allein wirken.
Ebenenüberspringen des Signalrückflusses
In mehrlagigen Leiterplatten sollte jede Layout-Ebene an eine Bezugsebene angrenzen, und der Rückstrom der Signale fließt auf der entsprechenden Bezugsebene. Wenn eine Signalleitung nicht auf einer bestimmten Layout-Ebene verläuft, wird üblicherweise zunächst die Signalleitung mit einer Layout-Ebene verbunden und anschließend über Durchkontaktierungen auf eine andere Ebene geführt. Daher springt die Signalleitung von einer Ebene zur anderen, und der Rückstrom folgt demselben Weg. Wenn beide Ebenen Masseebenen sind, kann der Rückstrom über Durchkontaktierungen, die die beiden Ebenen verbinden, oder über Massepins springen. Wenn eine Ebene eine Versorgungsebene und die andere eine Masseebene ist, besteht für den Rückstrom die einzige Möglichkeit, zwischen den Ebenen zu springen, an der Stelle, an der ein Entkopplungskondensator platziert ist. Wenn kein Entkopplungskondensator oder keine Durchkontaktierungen vorhanden sind, die die Masseebene verbinden, muss der Rückstrom den weitesten Weg nehmen, wodurch er von anderen Schaltungen entkoppelt wird, was zu Übersprechen und EMI führt.
Infolgedessen, im Verlauf vonPCB-DesignDas Überspringen von Lagen sollte möglichst an den Massepins in der Nähe von Bauteilen oder idealerweise um den Entkopplungskondensator herum erfolgen. Wenn dies nicht möglich ist, können Masse-Durchkontaktierungen (Überspringen zwischen zwei Masselagen) oder Bypass-Kondensatoren (Überspringen zwischen einer Versorgungslage und einer Masselage) an der Übersprungstelle platziert werden, um den Rückstrom zum Überspringen zu veranlassen.
Teilungsebenen
Im Prozess der Verwendung mehrlagiger Leiterplatten ist es manchmal erforderlich, einen Bereich ohne Kupferfolie mit einer bestimmten Breite zu erzeugen, wodurch eine integrierte Bildfläche in mehrere unabhängige Teile aufgeteilt wird, was als Aufteilen von Ebenen bezeichnet wird.
Das Aufteilen von Ebenen wird üblicherweise verwendet, um zu verhindern, dass Störungen empfindliche Schaltungen beeinträchtigen, und um verschiedene Referenzspannungen zu isolieren, etwa um digitale Störungen vom Analog-, Audio- und I/O‑Bereich fernzuhalten sowie zur Trennung zwischen 5‑V- und 3,3‑V-Versorgungsspannungen.
Teilungsflächen können in vollständige und unvollständige Teilung eingeteilt werden. Ersteres bezieht sich auf die vollständige Trennung zwischen Versorgungsebenen und Masseebenen nach der Teilung. Letzteres bezieht sich auf die vollständige Trennung zwischen Versorgungsebenen, während Masseebenen durch „Brücken“ verbunden sind. Ob eine vollständige oder unvollständige Teilung verwendet wird, hängt davon ab, ob eine Signalverbindung zwischen den Teilungsflächen besteht.
• Beispiele für Trennebenen
Abbildung 1 ist Teil des Ebenenlayouts der analogen und digitalen Mischschaltung einer Testplattform. Das analoge Videosignal wird über einen AD-Wandler an das FPGA übertragen und über einen DA-Wandler wieder ausgegeben. Sowohl AD- als auch DA-Wandler verwenden unabhängige Stromversorgungsmodule zur Spannungsversorgung. Die digitalen Komponenten nehmen den größten Teil der Leiterplattenfläche ein, während die analogen Komponenten nur einen kleinen Teil ausmachen. Dennoch sind alle wesentliche Bestandteile, die für die Leistung des gesamten Systems wichtig sind. Daher ist im Umgang mit diesen Komponenten größte Sorgfalt erforderlich. Idealerweise dringt das Rauschen des digitalen Teils nicht in den analogen Teil ein. Allerdings sind einige Signale der AD- und DA-Wandler mit dem FPGA des digitalen Teils verbunden. Um den Rückfluss dieser verbundenen Signale sicherzustellen, müssen die digitale Versorgung und die analoge Versorgung vollständig voneinander getrennt werden, während die digitale Masse und die analoge Masse nur teilweise getrennt sein dürfen, sodass der Einfluss des digitalen Teils auf den analogen Teil auf ein Minimum reduziert wird.
Alle Leitungen vom digitalen zum analogen Teil müssen durch die Brücke geführt werden, deren Öffnungsgröße genau für die benötigten Leitungen ausgelegt sein sollte, sodass der Rückfluss des Datensignals über die Brücke erfolgen kann und eine Beeinflussung anderer Signale infolge von Schleifen im Rückstrompfad vermieden wird. In diesem PCB-Design sind die Massen des AD- und des DA-Teils vollständig voneinander isoliert.
• Einige Probleme im Prozess der Aufteilung von Ebenen
a. Überlappung von Isolationsschichten
In mehrlagigen Leiterplatten werden geteilte Ebenen in der Regel verwendet, um verschiedene Versorgungsspannungen zu isolieren. Allgemein gesprochen sind die entsprechenden Masseebenen dieser Versorgungen voneinander getrennt, das heißt, jede Versorgung hat ihre eigene Referenzebene. Im Prozess des PCB-Designs muss eine Überlappung der Isolationsebenen unbedingt vermieden werden. Zum Beispiel sind in den meisten mehrlagigen Leiterplatten die Versorgungs- und Masseebenen des Analogteils und des Digitalteils voneinander isoliert. Die analoge Versorgungsebene und die digitale Masseebene dürfen sich im Raum nicht überlappen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Wenn eine sich überlappende Isolationsschicht auftritt, entsteht im Überlappungsbereich eine kleine Pad-Kapazität C1. Diese Kapazität bewirkt, dass von einer Schicht auf eine andere, isolierte, statische und unabhängige Schicht übertragene HF-Energie die Wirksamkeit der Isolation verringert.
b. Platzierung von Entkopplungskondensatoren
Um das von Hochgeschwindigkeitskomponenten erzeugte hochfrequente Rauschen zu filtern, werden zahlreiche Entkopplungskondensatoren aufLeiterplatten. Wenn in Leiterplatten Trennflächen (splitting planes) auftreten, kann es im Layout-Prozess zu einer Situation kommen, in der die Massepins des Entkopplungskondensators nicht mit anderen Referenz-Masseebenen, sondern mit der entsprechenden Masseebene verbunden sind. Diese Art von Fehler kann auftreten und führt dazu, dass sich das Rauschen von einer Ebene auf eine andere entkoppelt, was dem Überlappen von Trennflächen ähnelt. Deshalb sollte dieses Problem bereits in der Entwurfsphase behandelt werden. Nehmen wir erneut einen gemischt analog-digitalen Schaltkreis als Beispiel. Die analoge Versorgung wird über eine Ferritperle aus dem digitalen Teil eingespeist, und C1 steht für die Entkopplungskapazität des digitalen Teils. In Abbildung 3A sind die Versorgungspins von C1 mit der digitalen Versorgung verbunden, während die Massepins mit der analogen Masse verbunden sind, was zur Entkopplung von hochfrequentem digitalen Rauschen im empfindlichen analogen Teil führt – dies ist eine falsche Verbindung. Abbildung 3B zeigt eine korrekte Verbindung des Entkopplungskondensators.
c. Einpunkt-Erdung
Wenn Referenzebenen unterschiedlicher Leistung miteinander verbunden werden, muss eine einpunktige Erdung sichergestellt werden. In der beispielhaften digital-analog gemischten Schaltung werden Leiterplatten in einen digitalen und einen analogen Teil unterteilt, und sowohl die digitale Masse als auch die analoge Masse besitzen mindestens zwei Verbindungspunkte, sodass das Störsignal möglicherweise zwischen den beiden Referenzebenen über diese beiden Verbindungspunkte zirkulieren kann, was als „Masseschleife“ bezeichnet wird. Masseschleifen führen zu Rauschen, EMI, Energieverlust und erschwerter Wärmeableitung. Es gibt eine einfache Lösung für das Problem der Masseschleife: Solange es nur einen einzigen Verbindungspunkt zwischen den Referenzebenen gibt, kann sich keine Schleife bilden.
Lokale Grundschichten
Als Teil von Bildebenen bezeichnen lokale Masseflächen eine Kupferbeschichtung auf der Oberseite von Leiterplatten, die direkt mit der inneren Masseebene verbunden ist. Ihre Hauptfunktion besteht darin, von der Innenseite einiger wichtiger Chips (zum Beispiel Oszillatoren) erzeugten HF-Magnetfluss aufzufangen oder zur Wärmeableitung verwendet zu werden.
Um eine hervorragende Leistung zu erzielen, sollten Oszillatoren, Quarze und Taktunterstützungen auf einer unabhängigen lokalen Masseebene montiert werden. Die Gründe dafür sind:
1).Wenn der Oszillator in einem Metallgehäuse untergebracht ist, kann der im Inneren des Metallgehäuses erzeugte HF-Strom möglicherweise so groß werden, dass seine Massepins den großen Strom nicht mit einem energiearmen Verfahren zur Masse ableiten können. Infolgedessen wird dieses Metallgehäuse zu einer unipolaren Antenne.
2).WennSMD-BestückungDiese Technik wird beim Platzieren des Oszillators auf Leiterplatten verwendet; das oben erwähnte Problem verschlimmert sich jedoch, da bei SMT-Gehäusen üblicherweise Kunststoffmaterial eingesetzt wird, wodurch der HF-Strom daran gehindert wird, zum Massepunkt zu fließen. Schließlich wird der im Gehäuse erzeugte HF-Strom in den freien Raum abgestrahlt und mit anderen Komponenten entkoppelt.
3).Gewöhnliche Oszillatoren sind in der Lage, Taktpuffer anzusteuern, die zu Komponenten mit sehr hoher Geschwindigkeit und schneller Flankensteilheit gehören und dabei eine große Menge HF-Strom erzeugen, was möglicherweise zu einem Ausfall der Stromfunktion führen kann.
Wenn in der Oszillator- und Takt-Schaltung eine lokale Masseebene aufgebaut wird, werden Bildebenen bereitgestellt, die dazu dienen, die im Inneren des Oszillators und der entsprechenden Schaltungen erzeugte HF-Energie aufzufangen, sodass die HF-Strahlung verringert werden kann.
20-Stunden-Regel
Als empirische Regel beschreibt die 20-H-Regel, dass bei mehrlagigen Leiterplatten mit hoher Dichte zur Verringerung der von den Leiterplatten in den freien Raum abgestrahlten elektromagnetischen Energie die Größe der Versorgungsebene um 20H kleiner sein sollte als die der Masseebene, wobei H den Abstand zwischen den beiden Ebenen bezeichnet. In Abbildung 4 zeigt der linke Teil die Versorgungs-/Masseebene ohne besondere Auslegung, bei der die Kantenabstrahlung so stark ist, dass sie die Funktion benachbarter Schaltungen beeinflusst. Der rechte Teil zeigt die HF-Abstrahlungssituation durch Verringerung der Größe der Versorgungsebene um X-H. Es ist zu erkennen, dass die Masseebene viele magnetische Kraftlinien anzieht und die HF-Abstrahlungsenergie verringert wird. Den Versuchsergebnissen zufolge beginnt die HF-Abstrahlung ab 10-H abzunehmen; im Fall von 20-H ist die Masse in der Lage, 70 % des magnetischen Flusses anzuziehen; im Fall von 100-H kann die magnetische Kraft um 98 % reduziert werden.
Natürlich ist 20-H nicht für alle perfektPCB-StrukturenDie Effizienz der 20-H-Regel hängt von der Betriebsfrequenz, der physischen Größe der Stromversorgungs- und Masseebene sowie dem Abstand zwischen ihnen ab, wobei die beiden letzteren Elemente die Eigenresonanzfrequenz (SRF, self-resonant frequency) der Leiterplatte bestimmen. Untersuchungen zeigen, dass die 20-H-Regel nicht funktioniert, wenn die Leiterplatte bei einer ihrer Eigenresonanzfrequenzen arbeitet, und die Masseebene dann auch keine Strahlungsenergie anzieht. Schlimmer noch, es wird stattdessen eine große Menge an Strahlungsenergie erzeugt. Daher müssen in praktischen Hochgeschwindigkeitsschaltungen die konkreten Gegebenheiten berücksichtigt werden, wenn entschieden wird, ob die 20-H-Regel angewendet werden soll oder nicht.
