Les couches de base AGND et DGND doivent-elles être séparées ?
La réponse simple est que cela dépend de la situation, et la réponse détaillée est qu’ils ne sont généralement pas séparés.Car dans la plupart des cas, séparer la couche de terre ne fera qu'augmenter l'inductance du courant de retour, ce qui fait plus de mal que de bien.La formule V = L(di/dt) montre qu'à mesure que l'inductance augmente, le bruit de tension augmente.Et à mesure que le courant de commutation augmente (car le taux d'échantillonnage du convertisseur augmente), le bruit de tension augmentera également.Les couches de mise à la terre doivent donc être reliées entre elles.
Un exemple est que dans certaines applications, afin de se conformer aux exigences de conception traditionnelles, l'alimentation du bus sale ou les circuits numériques doivent être placés dans certaines zones, mais aussi en raison des contraintes de taille, ce qui fait que la carte ne peut pas obtenir une bonne partition de disposition, dans ce cas. Dans ce cas, une couche de mise à la terre séparée est la clé pour obtenir de bonnes performances.Cependant, pour que la conception globale soit efficace, ces couches de mise à la terre doivent être reliées entre elles quelque part sur la carte par un pont ou un point de connexion.Par conséquent, les points de connexion doivent être répartis uniformément sur les couches de mise à la terre séparées.En fin de compte, il y aura souvent un point de connexion sur le PCB qui deviendra le meilleur endroit pour que le courant de retour puisse passer sans provoquer de dégradation des performances.Ce point de connexion est généralement situé à proximité ou en dessous du convertisseur.
Lors de la conception des couches d'alimentation, utilisez toutes les traces de cuivre disponibles pour ces couches.Si possible, ne permettez pas à ces couches de partager des alignements, car des alignements et vias supplémentaires peuvent rapidement endommager la couche d'alimentation en la divisant en morceaux plus petits.La couche de puissance clairsemée qui en résulte peut compresser les chemins de courant là où ils sont le plus nécessaires, à savoir les broches de puissance du convertisseur.La compression du courant entre les vias et les alignements augmente la résistance, provoquant une légère chute de tension aux bornes d'alimentation du convertisseur.
Enfin, le placement de la couche d'alimentation est essentiel.N'empilez jamais une couche d'alimentation numérique bruyante sur une couche d'alimentation analogique, car les deux pourraient toujours se coupler même si elles se trouvent sur des couches différentes.Pour minimiser le risque de dégradation des performances du système, la conception doit séparer ces types de couches plutôt que de les empiler autant que possible.
La conception du système de distribution d'énergie (PDS) d'un PCB peut-elle être ignorée ?
L'objectif de conception d'un PDS est de minimiser l'ondulation de tension générée en réponse à la demande de courant d'alimentation.Tous les circuits nécessitent du courant, certains avec une demande élevée et d’autres qui nécessitent que le courant soit fourni à un rythme plus rapide.L'utilisation d'une couche d'alimentation ou de masse à faible impédance entièrement découplée et d'un bon laminage du PCB minimise l'ondulation de tension due à la demande de courant du circuit.Par exemple, si la conception est conçue pour un courant de commutation de 1 A et que l'impédance du PDS est de 10 mΩ, l'ondulation de tension maximale est de 10 mV.
Premièrement, une structure de pile de PCB doit être conçue pour prendre en charge de plus grandes couches de capacité.Par exemple, une pile à six couches peut contenir une couche de signal supérieure, une première couche de masse, une première couche de puissance, une seconde couche de puissance, une seconde couche de masse et une couche de signal inférieure.La première couche de masse et la première couche d'alimentation électrique sont prévues pour être très proches l'une de l'autre dans la structure empilée, et ces deux couches sont espacées de 2 à 3 mils pour former une capacité de couche intrinsèque.Le grand avantage de ce condensateur est qu'il est gratuit et qu'il suffit de le préciser dans les notes de fabrication du PCB.Si la couche d'alimentation doit être divisée et qu'il existe plusieurs rails d'alimentation VDD sur la même couche, la couche d'alimentation la plus grande possible doit être utilisée.Ne laissez pas de trous vides, mais faites également attention aux circuits sensibles.Cela maximisera la capacité de cette couche VDD.Si la conception permet la présence de couches supplémentaires, deux couches de mise à la terre supplémentaires doivent être placées entre la première et la deuxième couche d'alimentation.Dans le cas du même espacement des noyaux de 2 à 3 mils, la capacité inhérente de la structure laminée sera alors doublée.
Pour une stratification idéale des PCB, des condensateurs de découplage doivent être utilisés au point d'entrée de départ de la couche d'alimentation et autour du DUT, ce qui garantira que l'impédance du PDS est faible sur toute la plage de fréquences.L'utilisation d'un certain nombre de condensateurs de 0,001 µF à 100 µF aidera à couvrir cette plage.Il n’est pas nécessaire d’avoir des condensateurs partout ;connecter des condensateurs directement au DUT enfreindra toutes les règles de fabrication.Si des mesures aussi sévères sont nécessaires, le circuit présente d’autres problèmes.
L'importance des coussinets exposés (E-Pad)
C'est un aspect facile à négliger, mais il est essentiel pour obtenir les meilleures performances et dissipation thermique de la conception du PCB.
Le plot exposé (broche 0) fait référence à un plot situé sous la plupart des circuits intégrés haute vitesse modernes, et il s'agit d'une connexion importante par laquelle toute la mise à la terre interne de la puce est connectée à un point central sous l'appareil.La présence d'une plage exposée permet à de nombreux convertisseurs et amplificateurs d'éliminer le besoin d'une broche de masse.La clé est de former une connexion électrique et une connexion thermique stables et fiables lors du soudage de ce plot au PCB, sinon le système pourrait être gravement endommagé.
Des connexions électriques et thermiques optimales pour les plots exposés peuvent être obtenues en suivant trois étapes.Premièrement, lorsque cela est possible, les plots exposés doivent être répliqués sur chaque couche de PCB, ce qui fournira une connexion thermique plus épaisse pour toutes les masses et donc une dissipation thermique rapide, particulièrement importante pour les dispositifs haute puissance.Du côté électrique, cela fournira une bonne connexion équipotentielle pour toutes les couches de mise à la terre.Lors de la réplication des plots exposés sur la couche inférieure, ils peuvent être utilisés comme point de terre de découplage et comme emplacement pour monter des dissipateurs thermiques.
Ensuite, divisez les tampons exposés en plusieurs sections identiques.Une forme en damier est la meilleure et peut être obtenue par des grilles croisées d'écran ou des masques de soudure.Lors de l'assemblage par refusion, il n'est pas possible de déterminer comment la pâte à souder s'écoule pour établir la connexion entre l'appareil et le PCB, donc la connexion peut être présente mais inégalement répartie, ou pire, la connexion est petite et située dans un coin.La division de la plage exposée en sections plus petites permet à chaque zone d'avoir un point de connexion, garantissant ainsi une connexion fiable et uniforme entre l'appareil et le PCB.
Enfin, il convient de s'assurer que chaque section dispose d'une connexion à la terre par-dessus le trou.Les zones sont généralement suffisamment grandes pour contenir plusieurs vias.Avant l'assemblage, assurez-vous de remplir chaque vias avec de la pâte à souder ou de l'époxy.Cette étape est importante pour garantir que la pâte à souder des plots exposés ne reflue pas dans les cavités des vias, ce qui réduirait autrement les chances d'une connexion correcte.
Le problème du couplage croisé entre les couches du PCB
Dans la conception de circuits imprimés, le câblage de certains convertisseurs haute vitesse comportera inévitablement une couche de circuit couplée de manière croisée avec une autre.Dans certains cas, la couche analogique sensible (alimentation, masse ou signal) peut se trouver directement au-dessus de la couche numérique à bruit élevé.La plupart des concepteurs pensent que cela n’a pas d’importance car ces calques sont situés sur des calques différents.Est-ce le cas ?Regardons un test simple.
Sélectionnez l’une des couches adjacentes et injectez un signal à ce niveau, puis connectez les couches couplées de manière croisée à un analyseur de spectre.Comme vous pouvez le constater, de très nombreux signaux sont couplés à la couche adjacente.Même avec un espacement de 40 mils, il existe un sentiment dans lequel les couches adjacentes forment toujours une capacité, de sorte qu'à certaines fréquences, le signal sera toujours couplé d'une couche à l'autre.
En supposant qu'une partie numérique à bruit élevé sur une couche a un signal de 1 V provenant d'un commutateur haute vitesse, la couche non pilotée verra un signal de 1 mV couplé à partir de la couche pilotée lorsque l'isolation entre les couches est de 60 dB.Pour un convertisseur analogique-numérique (CAN) 12 bits avec une oscillation pleine échelle de 2 Vp-p, cela signifie 2LSB (bit le moins significatif) de couplage.Pour un système donné, cela ne pose peut-être pas de problème, mais il convient de noter que lorsque la résolution passe de 12 à 14 bits, la sensibilité augmente d'un facteur quatre et donc l'erreur augmente jusqu'à 8LSB.
Ignorer le couplage entre plans et entre couches ne risque pas d'entraîner un échec ou d'affaiblir la conception du système, mais il faut rester vigilant, car il peut y avoir plus de couplage entre les deux couches que ce à quoi on pourrait s'attendre.
Ceci doit être noté lorsqu'un couplage parasite de bruit est détecté dans le spectre cible.Parfois, le câblage du réseau peut conduire à des signaux involontaires ou à un couplage croisé de couches avec différentes couches.Gardez cela à l’esprit lors du débogage de systèmes sensibles : le problème peut résider dans la couche inférieure.
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Heure de publication : 27 avril 2022