Al giorno d'oggi,PCB multistratosono utilizzati nella maggior parte dei sistemi di circuiti ad alta velocità e molti sistemi di circuiti presentano numerose alimentazioni operative, imponendo requisiti rigorosi alla progettazione dei piani di massa, in particolare alla definizione delle relazioni tra più piani di alimentazione/massa. Inoltre, è necessario progettare una speciale superficie ramata sul livello dei dispositivi per impedire agli oscillatori di generare energia RF (radiofrequenza) e fornire un’eccellente dissipazione del calore per i componenti ad alta potenza.
Funzioni dei piani immagine
I piani immagine sono una superficie rivestita in rame adiacente agli strati di segnale nei circuiti stampati. Le funzioni principali dei piani immagine includono:
1).Riduzione del rumore di riflusso e delle EMI (Interferenza Elettromagnetica). I piani di immagine forniscono percorsi a bassa impedenza per il ritorno del segnale, soprattutto quando nella rete di distribuzione di potenza scorre una grande corrente. Inoltre, riducono l’area dell’anello chiuso formata dal segnale e dal ritorno, in modo che le EMI diminuiscano.
2).Controllo del crosstalk tra linee di segnale in circuiti digitali ad alta velocità. Il crosstalk è determinato dal rapporto D/H in cui D indica la distanza tra la sorgente di interferenza e l’oggetto interferito e H indica l’altezza dei piani immagine tra gli strati di segnale. Il rapporto D/H può essere controllato modificando il valore di H in modo che il crosstalk tra le linee di segnale sia infine controllato.
3).Controllo dell’impedenza. L’impedenza caratteristica del cablaggio stampato è correlata alla larghezza dei conduttori e alla distanza tra i conduttori e i piani di riferimento. Se non è presente alcun piano di riferimento, è possibile che l’impedenza non possa essere controllata, il che porta al mancato adattamento delle linee di trasmissione e alla riflessione del segnale.
Inoltre, i piani di riferimento sono anche in grado di controllare il rumore dovuto alle riflessioni verso le schede esterne. Bisogna riconoscere che i soli piani di riferimento non sono sufficienti per l’implementazione di tali funzioni: è necessario integrare rigorose regole di progettazione per raggiungere gli obiettivi previsti. Questo fatto può essere espresso così: per controllare il rumore nei circuiti digitali ad alta velocità, i piani di riferimento sono essenziali, ma non possono funzionare da soli.
Salto di Livello del Riflusso del Segnale
Nei PCB multistrato, ogni layer di layout dovrebbe essere adiacente a un piano di riferimento e il circuito di ritorno dei segnali dovrebbe scorrere sul corrispondente piano di riferimento. Quando una linea di segnale non attraversa un layer di layout, il metodo abituale è che la linea di segnale venga prima collegata a un layer di layout e poi collegata a un altro layer tramite fori passanti. Pertanto, la linea di segnale salta da un layer all’altro, e così fa la corrente di ritorno seguendo lo stesso percorso. Quando entrambi i layer sono layer di massa, la corrente di ritorno è in grado di saltare tramite fori passanti che collegano i due layer o tramite pin di massa. Quando un layer è un layer di alimentazione e l’altro è un layer di massa, l’unica possibilità per la corrente di ritorno di saltare tra i layer è nel punto in cui è posizionato un condensatore di disaccoppiamento. Se non c’è un condensatore di disaccoppiamento o fori passanti che collegano il layer di massa, il salto deve essere effettuato dalla corrente di ritorno che è costretta a seguire il percorso più lungo, il che fa sì che la corrente di ritorno si disaccoppi dagli altri circuiti, causando così diafonia ed EMI.
Di conseguenza, nel processo diProgettazione PCBil salto di strato dovrebbe essere impostato sui pin di massa adiacenti ai componenti o, meglio ancora, attorno al condensatore di disaccoppiamento. Quando ciò non è possibile, è possibile collocare fori di massa (che saltano tra due strati di massa) o condensatori di bypass (che saltano tra uno strato di alimentazione e uno strato di massa) nel punto di salto, in modo da permettere alla corrente di ritorno di effettuare il salto.
Piani di suddivisione
Nel processo di utilizzo di PCB multistrato, a volte è necessario生成一个没有铜箔且具有一定宽度的区域，将一个整体的图像平面分割成几个独立的部分，这被称为分割平面。
La suddivisione dei piani viene solitamente utilizzata per impedire che il rumore interferisca con i circuiti sensibili e per isolare diverse tensioni di riferimento, ad esempio impedendo al rumore digitale di entrare nelle aree analogiche, audio, di I/O e per l’isolamento tra le tensioni di alimentazione a 5 V e 3,3 V.
I piani di suddivisione possono essere classificati in suddivisione completa e suddivisione incompleta. La prima si riferisce al completo isolamento tra i piani di alimentazione e i piani di massa dopo la suddivisione. La seconda si riferisce al completo isolamento tra i piani di alimentazione mentre i piani di massa sono collegati da “ponti”. La scelta tra suddivisione completa o incompleta dipende dall’esistenza o meno di connessioni di segnale tra i piani di suddivisione.
• Esempi di piani di separazione
La Figura 1 fa parte del progetto dei piani di massa di un circuito misto analogico e digitale di una piattaforma di test. L’ingresso video analogico viene trasmesso all’FPGA tramite la conversione AD e viene emesso come conversione DA. Sia l’AD che il DA utilizzano componenti di alimentazione indipendenti per fornire l’energia. I componenti digitali occupano la maggior parte dello spazio della scheda, mentre i componenti analogici ne occupano solo una piccola parte. Tuttavia, tutti sono parti essenziali che sono importanti per le prestazioni dell’intero sistema. Pertanto, è necessario prestare molta attenzione nel processo di gestione di questi componenti. È ideale che il rumore della parte digitale non entri nella parte analogica. Tuttavia, alcuni segnali dei convertitori AD e DA sono collegati all’FPGA della parte digitale. Per garantire il ritorno di questi segnali collegati, l’alimentazione digitale e l’alimentazione analogica devono essere completamente isolate, mentre la massa digitale e la massa analogica devono essere isolate in modo non completo, in modo che l’influenza della parte digitale sulla parte analogica sia ridotta al minimo.
Tutte le linee dalla parte digitale alla parte analogica devono passare attraverso il ponte, la cui apertura deve avere una dimensione appena adeguata al passaggio dei cavi necessari, in modo che il riflusso del segnale dati possa ritornare attraverso il ponte, evitando l’interferenza con altri segnali dovuta all’avvolgimento del percorso di ritorno. In questo progetto PCB, le masse delle sezioni AD e DA sono completamente isolate tra loro.
• Alcuni problemi nel processo di suddivisione dei piani
a. Sovrapposizione degli strati di isolamento
Nei PCB multistrato, i piani suddivisi vengono solitamente utilizzati per isolare le diverse alimentazioni. In generale, i corrispondenti strati di massa di queste alimentazioni sono isolati tra loro, cioè ogni alimentazione ha il proprio strato di riferimento. Nel processo di progettazione del PCB, è necessario evitare la sovrapposizione degli strati di isolamento. Ad esempio, nella maggior parte dei PCB multistrato, gli strati di alimentazione e di massa della parte analogica e di quella digitale sono isolati tra loro. Lo strato di alimentazione analogico e lo strato di massa digitale non devono sovrapporsi nello spazio, come mostrato in Figura 2.
Se compare un livello di isolamento sovrapposto, nella zona di sovrapposizione apparirà una piccola capacità di pad C1. Questa capacità farà sì che l’energia RF trasmessa da un livello a un altro livello isolato, statico e indipendente riduca l’efficacia dell’isolamento.
b. Posizionamento del condensatore di disaccoppiamento
Per filtrare il rumore ad alta frequenza generato dai componenti ad alta velocità, molti condensatori di disaccoppiamento sono disposti suPCBSe nei PCB compaiono piani suddivisi, durante il processo di layout può verificarsi una situazione in cui i pin di massa del condensatore di disaccoppiamento non sono collegati ad altri strati di massa di riferimento, ma solo allo strato di massa corrispondente. Questo tipo di errore può verificarsi e porta al disaccoppiamento del rumore da uno strato all’altro, in modo simile alla sovrapposizione di piani suddivisi. Per questo motivo il problema deve essere affrontato nella fase di progettazione. Prendiamo di nuovo come esempio un circuito misto digitale‑analogico. L’alimentazione analogica viene prelevata dalla parte digitale tramite una perla di ferrite e C1 rappresenta la capacità di disaccoppiamento della parte digitale. In Figura 3A, i pin di alimentazione di C1 sono collegati all’alimentazione digitale mentre i pin di massa sono collegati alla massa analogica, causando il disaccoppiamento del rumore digitale ad alta frequenza nella parte analogica sensibile, il che costituisce un collegamento errato. La Figura 3B mostra un corretto collegamento del condensatore di disaccoppiamento.
c. Messa a terra a punto singolo
Quando si collegano insieme piani di riferimento di potenze diverse, è necessario garantire il collegamento a massa in un unico punto. Nel circuito misto digitale‑analogico esemplificato, le schede sono suddivise in parte digitale e parte analogica e sia la massa digitale sia la massa analogica hanno almeno due punti di connessione, così che il segnale di rumore possa eventualmente formare una circolazione tra i due piani di riferimento attraverso questi due punti di connessione, fenomeno chiamato “anello di massa”. L’anello di massa provoca rumore, EMI, consumo di energia e difficoltà di dissipazione del calore. Esiste una soluzione semplice al problema dell’anello di massa: finché esiste un solo punto di connessione tra i piani di riferimento, non può formarsi alcun anello.
Strati Locali del Suolo
Come parte dei piani di immagine, gli strati di massa locali si riferiscono a una placcatura in rame sulla superficie superiore dei PCB, collegata direttamente allo strato di massa interno. La sua funzione principale è catturare il flusso magnetico RF generato dall’interno di alcuni chip chiave (ad esempio gli oscillatori) o essere utilizzata per la dissipazione di potenza.
Per ottenere prestazioni eccellenti, oscillatori, cristalli e supporti di clock dovrebbero essere assemblati su un piano di massa locale indipendente. Le ragioni includono:
1).Se l’oscillatore è alloggiato in un rivestimento metallico, la corrente RF generata all’interno del rivestimento potrebbe essere così elevata che i suoi pin di massa non riescono a convogliare la grande corrente a terra con un metodo a basso consumo energetico. Di conseguenza, questo rivestimento metallico diventa un’antenna unipolare.
2).Seassemblaggio a montaggio superficialeLa tecnica viene utilizzata quando si colloca l’oscillatore sui PCB; il problema sopra menzionato peggiora poiché il materiale plastico è solitamente utilizzato nel packaging SMT, impedendo alla corrente RF di essere condotta verso il punto di massa. Infine, la corrente RF generata all’interno del packaging verrà irradiata nello spazio libero e si disaccoppierà dagli altri componenti.
3).Gli oscillatori ordinari sono in grado di pilotare il buffering del clock appartenente a componenti con velocità estremamente elevata e rapido fronte di commutazione, producendo una grande quantità di corrente RF, che potrebbe portare a un malfunzionamento della corrente.
Se viene assemblato uno strato di massa locale nel circuito dell’oscillatore e dell’orologio, verranno forniti piani immagine, utilizzati per catturare l’energia RF generata all’interno dell’oscillatore e dei circuiti corrispondenti, in modo da ridurre la radiazione RF.
Regola delle 20 ore
Come regola empirica, la regola del 20-H descrive che, nei PCB multistrato ad alta densità, per ridurre l’energia elettromagnetica irradiata nello spazio libero dalle schede, la dimensione del piano di alimentazione dovrebbe essere più piccola di 20H rispetto a quella del piano di massa, dove H indica la distanza tra i due strati. Nella Figura 4, la parte sinistra mostra il piano di alimentazione/massa senza alcun accorgimento particolare, in cui l’irradiazione dal bordo è così intensa da influenzare il funzionamento dei circuiti adiacenti. La parte destra mostra la situazione dell’irradiazione RF riducendo la dimensione della superficie di alimentazione di X-H. Si può vedere che il piano di massa attrae molte linee di forza magnetiche e l’energia di irradiazione RF diminuisce. Secondo i risultati degli esperimenti, la forza di irradiazione RF inizia a diminuire a partire da 10-H; nel caso di 20-H, il piano di massa è in grado di attrarre il 70% del flusso magnetico; nel caso di 100-H, la forza magnetica è in grado di ridursi del 98%.
Naturalmente, il 20-H non è perfetto per tuttiStrutture PCBL’efficienza della regola dei 20-H dipende dalla frequenza di funzionamento, dalle dimensioni fisiche degli strati di alimentazione/massa e dalla distanza tra di essi; questi ultimi due elementi determinano la SRF (frequenza di auto-risonanza) del PCB. Le ricerche indicano che quando il PCB lavora a una qualsiasi SRF, la regola dei 20-H non funziona e il piano di massa non riesce ad attrarre l’energia di radiazione. Peggio ancora, viene invece generata una grande quantità di energia di radiazione. Pertanto, nei circuiti ad alta velocità reali, è necessario considerare le situazioni specifiche quando si decide se adottare o meno la regola dei 20-H.
