ทุกวันนี้แผงวงจรพิมพ์หลายชั้นถูกใช้งานในระบบวงจรความเร็วสูงส่วนใหญ่ และระบบวงจรจำนวนมากมีแหล่งจ่ายไฟทำงานหลายระดับ ซึ่งก่อให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดต่อการออกแบบระนาบสัญญาณภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดการความสัมพันธ์ระหว่างระนาบไฟเลี้ยง/กราวด์หลายชุด นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องออกแบบพื้นผิวปิดทองแดงพิเศษบนเลเยอร์อุปกรณ์เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวกำเนิดสัญญาณ (oscillators) สร้างพลังงานความถี่วิทยุ (RF) และเพื่อให้การกระจายความร้อนที่ยอดเยี่ยมสำหรับชิ้นส่วนกำลังสูง
หน้าที่ของระนาบภาพ
ระนาบอิมเมจคือพื้นผิวเคลือบทองแดงที่อยู่ติดกับชั้นสัญญาณในแผงวงจรพิมพ์ หน้าที่หลักของระนาบอิมเมจประกอบด้วย:
1).การลดสัญญาณรบกวนจากการไหลกลับและ EMI (การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบภาพให้เส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับการไหลกลับของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีกระแสขนาดใหญ่ไหลอยู่ในระบบกระจายกำลังไฟฟ้า นอกจากนี้ยังช่วยลดพื้นที่วงปิดที่เกิดจากสัญญาณและการไหลกลับของสัญญาณ ทำให้ EMI ลดลง
2).การควบคุมการรบกวนระหว่างสายสัญญาณ (crosstalk) ในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง Crosstalk ถูกกำหนดโดยอัตราส่วน D/H ซึ่ง D หมายถึงระยะห่างระหว่างแหล่งรบกวนกับวัตถุที่ถูกรบกวน และ H หมายถึงความสูงของระนาบอิมเมจระหว่างเลเยอร์สัญญาณ อัตราส่วน D/H สามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนค่า H เพื่อให้สามารถควบคุม crosstalk ระหว่างสายสัญญาณได้ในที่สุด
3).การควบคุมอิมพีแดนซ์ อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของลายวงจรพิมพ์มีความสัมพันธ์กับความกว้างของลายทองแดงและระยะห่างระหว่างลายทองแดงกับระนาบอิมเมจ หากไม่มีระนาบอิมเมจ อาจไม่สามารถควบคุมอิมพีแดนซ์ได้ ซึ่งจะนำไปสู่ความล้มเหลวของการแมตช์สายส่งและการสะท้อนสัญญาณ
นอกจากนี้ ระนาบอิมเมจยังสามารถควบคุมสัญญาณรบกวนจากการสะท้อนสู่บอร์ดภายนอกได้ด้วย ต้องยอมรับว่าระนาบอิมเมจเพียงอย่างเดียวยังไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานฟังก์ชันเหล่านั้น จำเป็นต้องมีการเสริมด้วยกฎการออกแบบที่เข้มงวดเพื่อให้บรรลุเป้าหมายที่คาดหวัง ข้อเท็จจริงนี้สามารถกล่าวได้ว่า: เพื่อควบคุมสัญญาณรบกวนในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง ระนาบอิมเมจเป็นสิ่งจำเป็นแต่ไม่สามารถทำงานได้เพียงลำพัง
การข้ามเลเยอร์ของการไหลกลับของสัญญาณ
ในแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multilayer PCB) แต่ละชั้นลายวงจรควรอยู่ติดกับระนาบอ้างอิงหนึ่งระนาบ และกระแสย้อนกลับของสัญญาณจะไหลบนระนาบอ้างอิงที่สอดคล้องกันนั้น เมื่อเส้นสัญญาณไม่ได้วิ่งผ่านชั้นลายวงจร วิธีการทั่วไปคือให้เส้นสัญญาณเชื่อมต่อกับชั้นลายวงจรก่อน แล้วจึงเชื่อมต่อเส้นสัญญาณไปยังอีกชั้นหนึ่งผ่านรูทะลุ (via) ดังนั้น เส้นสัญญาณจึงกระโดดจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง และกระแสย้อนกลับก็จะตามเส้นทางเดียวกัน
เมื่อทั้งสองชั้นเป็นชั้นกราวด์ กระแสย้อนกลับสามารถกระโดดผ่านรูทะลุที่เชื่อมต่อสองชั้นหรือผ่านขากราวด์ได้ เมื่อหนึ่งชั้นเป็นชั้นจ่ายไฟและอีกชั้นเป็นชั้นกราวด์ โอกาสเดียวที่กระแสย้อนกลับจะกระโดดระหว่างชั้นได้คือบริเวณที่มีการวางตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง หากไม่มีตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิงหรือรูทะลุที่เชื่อมต่อไปยังชั้นกราวด์ กระแสย้อนกลับจำเป็นต้องอ้อมไปตามเส้นทางที่ไกลที่สุด ทำให้กระแสย้อนกลับแยกตัวออกจากวงจรอื่น ๆ ส่งผลให้เกิดการครอสทอล์กและ EMI
ผลลัพธ์คือ ในระหว่างกระบวนการการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ควรกำหนดการข้ามเลเยอร์ไว้ที่ขาพินกราวด์ซึ่งอยู่ติดกับอุปกรณ์ หรืออย่างดีที่สุดคือรอบ ๆ ตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง เมื่อไม่สามารถทำได้ ควรติดตั้งรูกราวด์ทะลุเลเยอร์ (ข้ามระหว่างสองเลเยอร์กราวด์) หรือใช้ตัวเก็บประจุแบบบายพาส (ข้ามระหว่างเลเยอร์เพาเวอร์กับเลเยอร์กราวด์) ไว้ที่จุดข้ามเลเยอร์เพื่อให้กระแสย้อนกลับสามารถข้ามเลเยอร์ได้
ระนาบแยก
ในกระบวนการใช้งานแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multilayer PCB) บางครั้งจำเป็นต้องสร้างบริเวณที่ไม่มีแผ่นฟอยล์ทองแดงโดยมีความกว้างที่กำหนด เพื่อแบ่งระนาบสัญญาณหรือระนาบกราวด์ที่เป็นผืนเดียวกันออกเป็นหลายส่วนอิสระ ซึ่งเรียกว่าการแบ่งระนาบ (Splitting Planes)
การแยกเพลนมักใช้เพื่อหยุดสัญญาณรบกวนไม่ให้รบกวนวงจรที่มีความไวสูง และเพื่อแยกแรงดันอ้างอิงต่าง ๆ เช่น การป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนดิจิทัลรบกวนส่วนอนาล็อก เสียง พื้นที่ I/O และการแยกระหว่างแรงดันไฟเลี้ยง 5V กับ 3.3V
ระนาบแยกสามารถแบ่งออกได้เป็นการแยกแบบสมบูรณ์และการแยกแบบไม่สมบูรณ์ แบบแรกหมายถึงการแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์ระหว่างชั้นเพาเวอร์และชั้นกราวด์หลังการแยก ส่วนแบบหลังหมายถึงการแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์ระหว่างชั้นเพาเวอร์ ในขณะที่ชั้นกราวด์ยังคงเชื่อมต่อกันด้วย “สะพาน” การเลือกใช้การแยกแบบสมบูรณ์หรือไม่สมบูรณ์ขึ้นอยู่กับว่ามีการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างระนาบที่ถูกแยกหรือไม่
• ตัวอย่างของระนาบแบ่ง
รูปที่ 1 เป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระนาบสัญญาณของวงจรผสมอนาล็อกและดิจิทัลของแพลตฟอร์มทดสอบ อินพุตวิดีโอแบบอนาล็อกถูกส่งไปยัง FPGA ผ่านการแปลง AD และส่งออกเป็นการแปลง DA ทั้ง AD และ DA ใช้โมดูลจ่ายไฟแยกอิสระสำหรับจ่ายพลังงาน องค์ประกอบดิจิทัลกินพื้นที่ส่วนใหญ่ของบอร์ด ในขณะที่องค์ประกอบอนาล็อกกินพื้นที่เพียงส่วนเล็ก ๆ อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดล้วนเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นและมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบทั้งหมด ดังนั้นจึงต้องให้ความระมัดระวังอย่างมากในกระบวนการจัดการกับองค์ประกอบเหล่านี้ ในอุดมคติแล้ว สัญญาณรบกวนจากส่วนดิจิทัลไม่ควรเข้าไปในส่วนอนาล็อก อย่างไรก็ตาม สัญญาณบางส่วนจากตัวแปลง AD และ DA จะถูกเชื่อมต่อไปยัง FPGA ของส่วนดิจิทัล เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการไหลกลับของสัญญาณที่เชื่อมต่อเหล่านี้ แหล่งจ่ายไฟดิจิทัลและแหล่งจ่ายไฟอนาล็อกต้องถูกแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่กราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อกต้องถูกแยกออกจากกันไม่สมบูรณ์ เพื่อลดอิทธิพลจากส่วนดิจิทัลต่อส่วนอนาล็อกให้น้อยที่สุด
สัญญาณทั้งหมดจากส่วนดิจิทัลไปยังส่วนแอนะล็อกต้องผ่านสะพาน โดยขนาดช่องเปิดของสะพานควรพอดีกับการเดินสายที่จำเป็นเท่านั้น เพื่อให้การไหลกลับของสัญญาณข้อมูลสามารถย้อนกลับผ่านสะพานได้ หลีกเลี่ยงการรบกวนต่อสัญญาณอื่น ๆ ที่เกิดจากการเดินลัดเลาะของเส้นทางกลับสัญญาณ ในการออกแบบ PCB นี้ กราวด์ของส่วน AD และ DA ถูกแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์
• ปัญหาบางประการในกระบวนการแยกระนาบ
a. การซ้อนทับของชั้นฉนวน
ในแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multilayer PCB) มักใช้การแบ่งระนาบ (splitting planes) เพื่อแยกแหล่งจ่ายไฟต่าง ๆ โดยทั่วไปแล้ว ชั้นกราวด์ที่สอดคล้องกับแหล่งจ่ายไฟเหล่านี้จะถูกแยกออกจากกัน กล่าวคือ แหล่งจ่ายไฟแต่ละชุดจะมีชั้นอ้างอิงของตัวเอง ในกระบวนการออกแบบ PCB ต้องหลีกเลี่ยงการซ้อนทับกันของชั้นที่แยกออกจากกัน ตัวอย่างเช่น ในแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นส่วนใหญ่ ชั้นเพาเวอร์และกราวด์ของส่วนอนาล็อกและส่วนดิจิทัลจะถูกแยกออกจากกัน ชั้นเพาเวอร์ของอนาล็อกและชั้นกราวด์ของดิจิทัลต้องไม่ซ้อนทับกันในเชิงพื้นที่เช่นเดียวกับในรูปที่ 2
หากมีชั้นฉนวนที่ซ้อนทับกันปรากฏขึ้น จะเกิดค่าคาปาซิแตนซ์ของแผ่นรองขนาดเล็ก C1 ในบริเวณที่ซ้อนทับกัน ค่าคาปาซิแตนซ์นี้จะทำให้พลังงาน RF ถูกส่งจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่งที่แยกออกมาอยู่อย่างโดดเดี่ยว คงที่ และเป็นอิสระ ส่งผลให้ประสิทธิผลของการแยกฉนวนลดลง
b. การวางตำแหน่งตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง
เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่เกิดจากองค์ประกอบความเร็วสูง จึงมีการจัดวางตัวเก็บประจุแยกจำนวนมากบนแผงวงจรพิมพ์หากมีการแยกเพลนในแผ่น PCB ในระหว่างกระบวนการวางเลย์เอาต์ อาจเกิดสถานการณ์ที่ขาของกราวด์ของตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิงไม่ได้เชื่อมต่อกับเลเยอร์กราวด์อ้างอิงอื่น ๆ แต่กลับไม่เชื่อมต่อกับเลเยอร์กราวด์ที่สอดคล้องกัน ความผิดพลาดประเภทนี้อาจเกิดขึ้นได้และทำให้เกิดการดีคัปปลิงสัญญาณรบกวนจากเลเยอร์หนึ่งไปยังอีกเลเยอร์หนึ่ง ซึ่งคล้ายกับกรณีที่เพลนที่แยกกันมีการซ้อนทับกัน นั่นคือเหตุผลที่ปัญหานี้ควรถูกจัดการตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ
ยกตัวอย่างวงจรผสมดิจิทัล–อะนาล็อกอีกครั้ง แหล่งจ่ายไฟอะนาล็อกถูกนำมาจากส่วนดิจิทัลผ่านลูกปัดเฟอร์ไรต์ และ C1 หมายถึงตัวเก็บประจุสำหรับดีคัปปลิงของส่วนดิจิทัล ในรูปที่ 3A ขาของไฟเลี้ยงของ C1 เชื่อมต่อกับไฟเลี้ยงดิจิทัล ในขณะที่ขากราวด์เชื่อมต่อกับกราวด์อะนาล็อก ทำให้เกิดการดีคัปปลิงสัญญาณรบกวนดิจิทัลความถี่สูงเข้าสู่ส่วนอะนาล็อกที่ไวต่อสัญญาณ ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้อง รูปที่ 3B แสดงการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุดีคัปปลิงที่ถูกต้อง
c. การต่อลงกราวด์แบบจุดเดียว
เมื่อมีการเชื่อมต่อเลเยอร์อ้างอิงที่มีระดับกำลังไฟต่างกันเข้าด้วยกัน ต้องมั่นใจว่ามีการต่อลงกราวด์แบบจุดเดียวเท่านั้น ในวงจรผสมดิจิทัล-อะนาล็อกตามตัวอย่าง แผงวงจรถูกแบ่งออกเป็นส่วนดิจิทัลและส่วนอะนาล็อก และทั้งกราวด์ดิจิทัลกับกราวด์อะนาล็อกต่างก็มีจุดเชื่อมต่ออย่างน้อยสองจุด ทำให้สัญญาณรบกวนอาจก่อให้เกิดการไหลเวียนระหว่างเลเยอร์อ้างอิงสองชุดผ่านจุดเชื่อมต่อทั้งสองนี้ ซึ่งเรียกว่า “กราวด์ลูป” กราวด์ลูปจะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวน, EMI, การสิ้นเปลืองพลังงาน และความยากลำบากในการระบายความร้อน วิธีแก้ปัญหากราวด์ลูปที่ง่ายคือ: ตราบใดที่มีจุดเชื่อมต่อเพียงจุดเดียวระหว่างเลเยอร์อ้างอิง วงลูปก็จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้
ชั้นพื้นดินในท้องถิ่น
ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของระนาบสัญญาณภาพ ชั้นกราวด์เฉพาะจุดหมายถึงแผ่นทองแดงเคลือบที่ผิวด้านบนของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งเชื่อมต่อโดยตรงกับชั้นกราวด์ด้านใน หน้าที่หลักของมันคือการจับฟลักซ์แม่เหล็ก RF ที่เกิดจากภายในของชิปสำคัญบางตัว (เช่น ออสซิลเลเตอร์) หรือใช้สำหรับการกระจายความร้อนจากกำลังไฟฟ้า
เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ออสซิลเลเตอร์ คริสตัล และวงจรสนับสนุนนาฬิกาควรถูกประกอบบนชั้นกราวด์เฉพาะที่เป็นอิสระ เหตุผลได้แก่:
1).หากออสซิลเลเตอร์ถูกบรรจุอยู่ในโครงหุ้มโลหะ กระแส RF ที่เกิดขึ้นภายในโครงหุ้มโลหะอาจมีขนาดใหญ่จนขาของกราวด์ไม่สามารถนำกระแสขนาดใหญ่นี้ลงสู่กราวด์ได้ด้วยวิธีที่ใช้พลังงานต่ำ ส่งผลให้โครงหุ้มโลหะนี้กลายเป็นเสาอากาศแบบขั้วเดียว
2).ถ้าการประกอบแบบติดตั้งบนพื้นผิวเทคนิคนี้ถูกใช้เมื่อวางออสซิลเลเตอร์บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ปัญหาที่กล่าวถึงข้างต้นจะยิ่งแย่ลงไปอีก เนื่องจากมักใช้วัสดุพลาสติกในบรรจุภัณฑ์แบบ SMT ซึ่งทำให้กระแส RF ไม่สามารถไหลไปยังจุดกราวด์ได้ สุดท้ายกระแส RF ที่เกิดขึ้นภายในบรรจุภัณฑ์จะถูกแผ่กระจายออกสู่บรรยากาศและเกิดการคัปปลิงกับชิ้นส่วนอื่น
3).ออสซิลเลเตอร์ทั่วไปสามารถขับการบัฟเฟอร์สัญญาณนาฬิกาที่เป็นของคอมโพเนนต์ความเร็วสูงมากและมีอัตราการเปลี่ยนแปลงขอบสัญญาณที่รวดเร็ว ซึ่งจะก่อให้เกิดกระแส RF จำนวนมากและอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของการทำงานของกระแสได้
หากมีการประกอบชั้นกราวด์เฉพาะที่ในวงจรออสซิลเลเตอร์และวงจรนาฬิกา จะมีการจัดเตรียมระนาบภาพเพื่อใช้ในการรับพลังงาน RF ที่เกิดขึ้นภายในออสซิลเลเตอร์และวงจรที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้สามารถลดการแผ่รังสี RF ได้
กฎ 20 ชั่วโมง
ตามกฎเชิงประจักษ์ กฎ 20-H อธิบายว่าในแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (multilayer PCB) ที่มีความหนาแน่นสูง เพื่อให้ลดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่กระจายออกสู่บรรยากาศโดยแผ่นวงจร ขนาดของชั้นจ่ายไฟควรมีขนาดเล็กกว่าชั้นกราวด์อยู่ 20H โดยที่ H หมายถึงระยะห่างระหว่างสองชั้นนั้น ในรูปที่ 4 ส่วนด้านซ้ายแสดงชั้นจ่ายไฟ/กราวด์ที่ไม่ได้มีการออกแบบพิเศษใด ๆ ซึ่งการแผ่รังสีบริเวณขอบมีความรุนแรงมากจนสามารถรบกวนการทำงานของวงจรข้างเคียงได้ ส่วนด้านขวาแสดงสถานการณ์การแผ่รังสี RF เมื่อทำการลดขนาดพื้นที่ผิวของชั้นจ่ายไฟลงด้วยค่า X-H จะเห็นได้ว่าชั้นกราวด์ดึงเส้นแรงแม่เหล็กจำนวนมากไว้ และพลังงานการแผ่รังสี RF ลดลง จากผลการทดลองพบว่า แรงการแผ่รังสี RF เริ่มลดลงตั้งแต่ 10-H; ในกรณี 20-H ชั้นกราวด์สามารถดึงดูดเส้นแรงแม่เหล็กได้ 70%; และในกรณี 100-H แรงแม่เหล็กสามารถลดลงได้ถึง 98%
ตามธรรมชาติแล้ว 20-H ไม่ได้สมบูรณ์แบบสำหรับทุกคนโครงสร้าง PCBประสิทธิภาพของกฎ 20-H ขึ้นอยู่กับความถี่ในการทำงาน ขนาดทางกายภาพของชั้นเพาเวอร์/กราวด์ และระยะห่างระหว่างกัน โดยสองปัจจัยหลังนี้จะเป็นตัวกำหนดความถี่เรโซแนนซ์ตัวเอง (SRF: self-resonant frequency) ของแผ่น PCB งานวิจัยระบุว่าเมื่อ PCB ทำงานที่ความถี่ SRF ใด ๆ กฎ 20-H จะไม่ทำงาน และกราวด์ก็ไม่สามารถดึงดูดพลังงานการแผ่รังสีได้เช่นกัน ที่แย่ไปกว่านั้นคือจะเกิดพลังงานการแผ่รังสีจำนวนมากขึ้นมาแทน ดังนั้น ในวงจรความเร็วสูงที่ใช้งานจริง จำเป็นต้องพิจารณาสถานการณ์เฉพาะให้รอบคอบก่อนตัดสินใจว่าจะเลือกใช้กฎ 20-H หรือไม่
