Thiết kế nhiều lớp chủ yếu tuân thủ theo hai quy tắc:
1. Mỗi lớp dây phải có một lớp tham chiếu liền kề (lớp nguồn hoặc lớp đất);
2. Lớp nguồn điện chính và lớp đất liền kề phải được giữ ở khoảng cách tối thiểu để cung cấp điện dung ghép nối lớn hơn;
Sau đây là danh sách các ngăn xếp từ bảng hai lớp đến bảng tám lớp để giải thích ví dụ:
1. Bảng mạch PCB một mặt và bảng mạch PCB hai mặt
Đối với bo mạch hai lớp, do số lượng lớp ít nên không còn vấn đề về cán mỏng. Kiểm soát bức xạ EMI chủ yếu được xem xét từ hệ thống dây điện và bố trí;
Khả năng tương thích điện từ của bo mạch một lớp và hai lớp ngày càng được chú ý. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là diện tích vòng lặp tín hiệu quá lớn, không chỉ tạo ra bức xạ điện từ mạnh mà còn khiến mạch dễ bị nhiễu từ bên ngoài. Để cải thiện khả năng tương thích điện từ của mạch, cách đơn giản nhất là giảm diện tích vòng lặp của tín hiệu chính.
Tín hiệu khóa: Xét về khả năng tương thích điện từ, tín hiệu khóa chủ yếu đề cập đến các tín hiệu tạo ra bức xạ mạnh và các tín hiệu nhạy cảm với thế giới bên ngoài. Các tín hiệu có thể tạo ra bức xạ mạnh thường là các tín hiệu tuần hoàn, chẳng hạn như tín hiệu xung nhịp hoặc địa chỉ bậc thấp. Các tín hiệu nhạy cảm với nhiễu là tín hiệu tương tự có mức thấp hơn.
Bo mạch một lớp và hai lớp thường được sử dụng trong các thiết kế tương tự tần số thấp dưới 10KHz:
1) Các đường dây điện trên cùng một lớp được định tuyến theo hướng xuyên tâm và tổng chiều dài của các đường dây được giảm thiểu;
2) Khi chạy dây nguồn và dây tiếp địa, chúng nên gần nhau; đặt một dây tiếp địa bên cạnh dây tín hiệu chính, và dây tiếp địa này nên càng gần dây tín hiệu càng tốt. Bằng cách này, diện tích vòng lặp được tạo thành nhỏ hơn và độ nhạy của bức xạ chế độ vi sai với nhiễu bên ngoài được giảm xuống. Khi thêm dây tiếp địa bên cạnh dây tín hiệu, một vòng lặp có diện tích nhỏ nhất được hình thành, và dòng tín hiệu chắc chắn sẽ đi qua vòng lặp này thay vì các dây tiếp địa khác.
3) Nếu là bo mạch hai lớp, bạn có thể đặt dây tiếp địa dọc theo đường tín hiệu ở phía bên kia của bo mạch, ngay bên dưới đường tín hiệu, và đường dây đầu tiên phải càng rộng càng tốt. Diện tích vòng lặp được tạo thành theo cách này bằng độ dày của bo mạch nhân với chiều dài của đường tín hiệu.
Tấm ép hai và bốn lớp
1. SIG－GND(PWR)－PWR (GND)－SIG;
2. GND－SIG(PWR)－SIG(PWR)－GND;
Đối với hai thiết kế nhiều lớp trên, vấn đề tiềm ẩn nằm ở độ dày bo mạch truyền thống 1,6 mm (62 mil). Khoảng cách giữa các lớp sẽ trở nên rất lớn, không chỉ bất lợi cho việc kiểm soát trở kháng, ghép nối giữa các lớp và che chắn; đặc biệt, khoảng cách lớn giữa các mặt tiếp địa nguồn làm giảm điện dung của bo mạch và không có lợi cho việc lọc nhiễu.
Đối với sơ đồ đầu tiên, nó thường được áp dụng cho trường hợp có nhiều chip trên bo mạch. Sơ đồ này có thể đạt được hiệu suất SI tốt hơn, nhưng lại không tốt cho hiệu suất EMI, chủ yếu thông qua việc kiểm soát hệ thống dây điện và các chi tiết khác. Lưu ý chính: Lớp tiếp địa được đặt trên lớp kết nối của lớp tín hiệu có mật độ tín hiệu dày đặc nhất, có lợi cho việc hấp thụ và triệt tiêu bức xạ; tăng diện tích của bo mạch để phản ánh quy tắc 20H.
Đối với giải pháp thứ hai, giải pháp này thường được sử dụng khi mật độ chip trên bo mạch đủ thấp và có đủ diện tích xung quanh chip (đặt lớp đồng cấp điện cần thiết). Trong sơ đồ này, lớp ngoài cùng của PCB là lớp đất, và hai lớp giữa là lớp tín hiệu/nguồn. Nguồn điện trên lớp tín hiệu được định tuyến bằng một đường dây rộng, có thể làm cho trở kháng đường dẫn của dòng điện nguồn thấp, trở kháng đường dẫn của vi dải tín hiệu cũng thấp, và bức xạ tín hiệu lớp bên trong cũng có thể được che chắn bởi lớp ngoài. Xét về mặt kiểm soát nhiễu điện từ (EMI), đây là cấu trúc PCB 4 lớp tốt nhất hiện có.
Lưu ý chính: Khoảng cách giữa hai lớp tín hiệu và lớp trộn công suất ở giữa cần được mở rộng, và hướng dây phải thẳng đứng để tránh nhiễu xuyên âm; diện tích bo mạch cần được kiểm soát phù hợp để phản ánh quy tắc 20H; nếu muốn kiểm soát trở kháng dây, giải pháp trên cần hết sức cẩn thận khi đi dây. Dây được bố trí bên dưới đảo đồng để cấp nguồn và nối đất. Ngoài ra, dây đồng trên bộ cấp nguồn hoặc lớp nối đất nên được kết nối càng nhiều càng tốt để đảm bảo kết nối DC và tần số thấp.
Tấm laminate ba lớp sáu lớp
Đối với các thiết kế có mật độ chip cao hơn và tần số xung nhịp cao hơn, nên cân nhắc thiết kế bo mạch 6 lớp và khuyến nghị sử dụng phương pháp xếp chồng:
1. SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG;
Đối với loại sơ đồ này, loại sơ đồ nhiều lớp này có thể đạt được độ toàn vẹn tín hiệu tốt hơn, lớp tín hiệu nằm cạnh lớp đất, lớp nguồn và lớp đất được ghép nối, trở kháng của mỗi lớp dây có thể được kiểm soát tốt hơn, và hai lớp có thể hấp thụ tốt các đường sức từ. Khi nguồn điện và lớp đất hoàn thiện, nó có thể cung cấp đường dẫn trở về tốt hơn cho mỗi lớp tín hiệu.
2. GND－SIG－GND－PWR－SIG －GND;
Đối với loại sơ đồ này, sơ đồ này chỉ phù hợp với trường hợp mật độ thiết bị không quá cao, loại cán mỏng này có tất cả các ưu điểm của cán mỏng phía trên, và mặt phẳng tiếp địa của lớp trên cùng và lớp dưới cùng tương đối hoàn chỉnh, có thể được sử dụng làm lớp che chắn tốt hơn. Cần lưu ý rằng lớp nguồn nên gần với lớp không phải là bề mặt linh kiện chính, vì mặt phẳng của lớp dưới cùng sẽ hoàn thiện hơn. Do đó, hiệu suất EMI tốt hơn giải pháp đầu tiên.
Tóm tắt: Đối với sơ đồ mạch sáu lớp, khoảng cách giữa lớp nguồn và lớp đất cần được giảm thiểu để đạt được khả năng tiếp xúc nguồn và đất tốt. Tuy nhiên, mặc dù độ dày của mạch là 62 mil và khoảng cách giữa các lớp được giảm xuống, nhưng việc kiểm soát khoảng cách giữa nguồn điện chính và lớp đất sao cho nhỏ là không dễ dàng. So sánh sơ đồ thứ nhất với sơ đồ thứ hai, chi phí của sơ đồ thứ hai sẽ tăng lên đáng kể. Do đó, chúng tôi thường chọn phương án thứ nhất khi xếp chồng. Khi thiết kế, hãy tuân thủ quy tắc 20H và quy tắc thiết kế lớp gương.
Tấm ép bốn và tám lớp
1. Đây không phải là phương pháp xếp chồng tốt do khả năng hấp thụ điện từ kém và trở kháng nguồn lớn. Cấu trúc của nó như sau:
1.Bề mặt tín hiệu 1 thành phần, lớp dây dẫn vi dải
2. Lớp dây dẫn vi mạch bên trong tín hiệu 2, lớp dây dẫn tốt hơn (hướng X)
3. Mặt đất
4. Lớp định tuyến đường dây tín hiệu 3, lớp định tuyến tốt hơn (hướng Y)
5.Lớp định tuyến đường dây tín hiệu 4
6. Quyền lực
7. Lớp dây dẫn vi dải bên trong của tín hiệu 5
8. Lớp theo dõi vi dải tín hiệu 6
2. Đây là một biến thể của phương pháp xếp chồng thứ ba. Nhờ bổ sung lớp tham chiếu, hiệu suất EMI tốt hơn và trở kháng đặc tính của mỗi lớp tín hiệu có thể được kiểm soát tốt.
1.Bề mặt tín hiệu 1 thành phần, lớp dây dẫn vi dải, lớp dây dẫn tốt
2. Tầng đất, khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt
3. Lớp định tuyến dải tín hiệu 2, lớp định tuyến tốt
4. Lớp điện năng, tạo ra sự hấp thụ điện từ tuyệt vời với lớp đất bên dưới 5. Lớp đất
6. Lớp định tuyến tín hiệu 3 dải, lớp định tuyến tốt
7. Tầng nguồn, có trở kháng nguồn điện lớn
8. Lớp dây dẫn tín hiệu 4 vi dải, lớp dây dẫn tốt
3. Phương pháp xếp chồng tốt nhất, do sử dụng nhiều mặt phẳng tham chiếu mặt đất nên có khả năng hấp thụ từ trường địa từ rất tốt.
1.Bề mặt tín hiệu 1 thành phần, lớp dây dẫn vi dải, lớp dây dẫn tốt
2. Tầng đất, khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt hơn
3. Lớp định tuyến dải tín hiệu 2, lớp định tuyến tốt
4. Lớp điện năng, tạo ra khả năng hấp thụ điện từ tuyệt vời với lớp đất bên dưới 5. Lớp đất mặt đất
6. Lớp định tuyến tín hiệu 3 dải, lớp định tuyến tốt
7. Tầng đất, khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt hơn
8. Lớp dây dẫn tín hiệu 4 vi dải, lớp dây dẫn tốt
Việc lựa chọn số lượng lớp bo mạch sử dụng trong thiết kế và cách xếp chồng chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như số lượng mạng tín hiệu trên bo mạch, mật độ thiết bị, mật độ PIN, tần số tín hiệu, kích thước bo mạch, v.v. Chúng ta phải xem xét những yếu tố này một cách toàn diện. Đối với số lượng mạng tín hiệu càng nhiều, mật độ thiết bị càng cao, mật độ PIN càng cao và tần số tín hiệu càng cao, thiết kế bo mạch đa lớp nên được áp dụng càng nhiều càng tốt. Để đạt được hiệu suất EMI tốt, tốt nhất là đảm bảo mỗi lớp tín hiệu đều có lớp tham chiếu riêng.