Panduan Ahli: Desain Image Plane untuk PCB Kecepatan Tinggi

Kini, PCB multilevel digunakan dalam sebagian besar sistem sirkuit kecepatan tinggi dan banyak sistem sirkuit memiliki banyak daya operasi, yang memberikan persyaratan ketat pada desain image plane, terutama penyelesaian hubungan antara beberapa plane daya/ground. Selain itu, permukaan cladding tembaga khusus perlu dirancang pada desain lapisan perangkat untuk mencegah osilator menghasilkan energi RF (radio frequency) dan memberikan disipasi panas yang baik untuk komponen daya tinggi.

Fungsi Image Plane

Image plane adalah permukaan cladding tembaga yang berdekatan dengan lapisan sinyal dalam papan sirkuit cetak. Fungsi utama image plane meliputi:

1). Mengurangi noise reflow dan EMI (Interferensi Elektromagnetik). Image plane menyediakan jalur dengan impedansi rendah untuk reflow sinyal, terutama ketika arus besar mengalir dalam sistem distribusi daya. Yang lebih penting lagi, mereka mengurangi area lingkaran tertutup yang dibentuk oleh sinyal dan reflow sehingga EMI turun.

2). Mengontrol crosstalk antara garis sinyal dalam sirkuit digital kecepatan tinggi. Crosstalk ditentukan oleh rasio D/H di mana D merujuk pada jarak antara sumber interferensi dan objek yang terganggu dan H merujuk pada tinggi image plane antara lapisan sinyal. Rasio D/H dapat dikontrol dengan mengubah nilai H sehingga crosstalk antara garis sinyal akan pada akhirnya dikontrol.

3). Mengontrol impedansi. Impedansi karakteristik perutean berkaitan dengan lebar kawat dan tinggi antara kawat dan image plane. Jika tidak ada image plane, mungkin impedansi tidak dapat dikontrol, yang mengakibatkan kegagalan pencocokan garis transmisi dan refleksi sinyal.

Selain itu, image plane juga mampu mengontrol noise dari refleksi ke papan luar. Harus diakui bahwa image plane sendiri tidak cukup untuk implementasi fungsi tersebut; aturan desain ketat harus ditambahkan untuk mencapai target yang diinginkan. Fakta ini dapat dirumuskan sebagai: untuk mengontrol noise dalam sirkuit digital kecepatan tinggi, image plane sangat penting tetapi mereka tidak dapat bekerja sendirian.

Melewati Lapisan Reflow Sinyal

Dalam PCB multilevel, setiap lapisan tata letak harus berdekatan dengan satu image plane dan sirkuit kembali sinyal mengalir pada image plane yang sesuai. Ketika garis sinyal tidak melewati lapisan tata letak, metode biasa adalah pertama garis sinyal dihubungkan ke lapisan tata letak dan kemudian garis sinyal dihubungkan ke lapisan lain melalui lubang melalui. Oleh karena itu, garis sinyal melompat dari satu lapisan ke lapisan lain, begitu juga arus kembali mengikuti jalur yang sama. Ketika kedua lapisan adalah lapisan ground, arus kembali mampu melompat melalui lubang melalui yang menghubungkan dua lapisan atau pin ground. Ketika satu lapisan adalah lapisan daya dan yang lain adalah lapisan ground, kesempatan唯一 arus kembali untuk melompat antara lapisan adalah posisi di mana kapasitor decoupling ditempatkan. Jika tidak ada kapasitor decoupling atau lubang melalui yang menghubungkan lapisan ground, melompat harus dilakukan oleh arus kembali yang harus mengikuti jalur terjauh, yang membuat arus kembali terdecoupling dengan sirkuit lain sehingga crosstalk dan EMI akan terjadi.

Akibatnya, dalam proses desain PCB, melewati lapisan sebaiknya diatur pada pin ground yang berdekatan dengan komponen atau di sekitar kapasitor decoupling. Ketika ini tidak dapat terwujud, lubang ground (melompat antara dua lapisan ground) atau kapasitor bypass (melompat antara lapisan daya dan lapisan ground) dapat ditempatkan pada titik melompat untuk membuat arus kembali melompat.

Pemisahan Plane

Dalam penggunaan PCB multilevel, terkadang perlu menghasilkan area tanpa foil tembaga dengan lebar tertentu, memisahkan image plane terintegrasi menjadi beberapa bagian independen, yang disebut pemisahan plane.

Pemisahan plane biasanya digunakan untuk mencegah noise mengganggu sirkuit sensitif dan mengisolir referensi daya yang berbeda seperti mencegah noise digital masuk ke area analog, audio, I/O dan isolasi antara daya 5 V dan 3,3 V.

Pemisahan plane dapat diklasifikasikan menjadi pemisahan lengkap dan pemisahan tidak lengkap. Yang pertama merujuk pada isolasi lengkap antara lapisan daya dan lapisan ground setelah pemisahan. Yang terakhir merujuk pada isolasi lengkap antara lapisan daya sementara lapisan ground terhubung oleh "jembatan". Apakah akan menggunakan pemisahan lengkap atau tidak lengkap tergantung pada apakah ada koneksi sinyal antara plane yang dipisahkan.

• Contoh pemisahan plane

Gambar 1 adalah bagian dari desain image plane sirkuit analog dan digital campuran pada platform pengujian. Masukan analog video ditransmisikan ke FPGA melalui konversi AD dan dikeluarkan sebagai konversi DA. Keduanya AD dan DA menggunakan komponen daya independen untuk menyediakan daya. Komponen digital menempati sebagian besar ruang papan sementara komponen analog hanya menempati bagian kecil. Namun, semuanya adalah bagian penting yang penting untuk performa keseluruhan sistem. Oleh karena itu, perhatian besar harus diberikan dalam proses menangani komponen-komponen tersebut. Idealnya, noise bagian digital tidak masuk ke bagian analog. Namun, beberapa sinyal dari konverter AD dan DA terhubung ke FPGA bagian digital. Untuk memastikan reflow sinyal yang terhubung ini, daya digital dan daya analog harus diisolasi sepenuhnya sementara ground digital dan ground analog harus diisolasi tidak lengkap sehingga pengaruh bagian analog dari bagian digital dikurangi hingga minimum.

Semua garis dari bagian digital ke bagian analog harus melewati jembatan yang ukuran pembukaannya harus cukup tepat untuk melalui kabel yang diperlukan sehingga reflow data sinyal akan dapat kembali melalui jembatan, menghindari interferensi ke sinyal lain sebagai akibat dari pengelaran untuk jalur kembali. Dalam desain PCB ini, ground bagian AD dan DA diisolasi sepenuhnya satu sama lain.

• Beberapa masalah dalam proses pemisahan plane

a. Tumpang tindih lapisan isolasi

Dalam PCB multilevel, pemisahan plane biasanya digunakan untuk mengisolir daya yang berbeda. Secara umum, lapisan ground yang sesuai dari daya ini diisolasi satu sama lain, yaitu, setiap daya memiliki lapisan referensi sendiri. Dalam proses desain PCB, tumpang tindih lapisan isolasi harus dihindari. Misalnya, dalam sebagian besar PCB multilevel, lapisan daya dan ground bagian analog dan digital diisolasi satu sama lain. Lapisan daya analog dan lapisan ground digital tidak boleh tumpang tindih dalam ruang seperti pada Gambar 2.

Jika tumpang tindih lapisan isolasi muncul, kapasitas pad kecil C1 akan muncul di area tumpang tindih. Kapasitas ini akan membuat energi RF ditransmisikan dari satu lapisan ke lapisan lain yang terisolasi, statis dan independen untuk mengurangi kevalidan isolasi.

b. Penempatan kapasitor decoupling

Untuk menyaring noise frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh komponen kecepatan tinggi, banyak kapasitor decoupling diatur pada PCB. Jika pemisahan plane muncul pada PCB, dalam proses tata letak situasi mungkin akan terjadi di mana pin ground kapasitor decoupling tidak terhubung dengan lapisan ground referensi lain melainkan lapisan ground yang sesuai. Jenis kesalahan ini mungkin akan terjadi dan mengakibatkan noise decoupling dari satu lapisan ke lapisan lain, yang mirip dengan pemisahan plane tumpang tindih. Itulah mengapa masalah ini harus ditangani pada tahap desain. Ambil sirkuit analog dan digital campuran sebagai contoh lagi. Daya analog dibawa dari bagian digital melalui ferrite bead dan C1 merujuk pada kapasitansi decoupling bagian digital. Pada Gambar 3A, pin daya C1 terhubung dengan daya digital sementara pin ground dengan ground analog, yang mengakibatkan decoupling noise digital frekuensi tinggi di bagian analog sensitif, yang merupakan koneksi yang salah. Gambar 3B adalah koneksi kapasitor decoupling yang benar.

c. Ground titik tunggal

Ketika lapisan referensi daya yang berbeda dihubungkan bersama, ground titik tunggal harus dijamin. Dalam sirkuit analog dan digital campuran yang diambil sebagai contoh, papan sirkuit diklasifikasikan menjadi bagian digital dan bagian analog dan baik ground digital maupun ground analog memiliki setidaknya dua titik koneksi sehingga noise sinyal mungkin membentuk sirkulasi antara dua lapisan referensi melalui dua titik koneksi tersebut, yang disebut "ground loop". Ground loop akan menyebabkan noise, EMI, konsumsi energi dan kesulitan dissipasi panas. Ada solusi mudah untuk masalah ground loop: selama hanya ada satu titik koneksi antara lapisan referensi, loop tidak dapat terbentuk.

Lapisan Ground Lokal

Sebagai bagian dari image plane, lapisan ground lokal merujuk pada cladding tembaga pada permukaan atas PCB, yang langsung terhubung dengan lapisan ground dalam. Fungsi utamanya adalah untuk menangkap fluks magnet RF yang dihasilkan di dalam beberapa chip kunci (osilator misalnya) atau digunakan untuk dissipasi daya.

Untuk mendapatkan performa yang baik, osilator, kristal dan dukungan jam harus dirangkaikan pada lapisan ground lokal independen. Alasannya meliputi:
1). Jika osilator dikemas dalam cladding logam, arus RF yang dihasilkan di dalam cladding logam mungkin begitu besar sehingga pin ground gagal mengarahkan arus besar ke ground dengan metode konsumsi energi rendah. Akibatnya, cladding logam ini menjadi antena unipolar.
2). Jika teknik pemasang permukaan digunakan saat meletakkan osilator pada PCB, masalah di atas semakin parah karena bahan plastik biasanya digunakan dalam pembungkusan SMT, yang menghentikan arus RF diarahkan ke titik ground. Akhirnya, arus RF yang dihasilkan di dalam pembungkusan akan ditiarkan ke ruang bebas dan decouple dengan komponen lain.
3). Osilator biasa mampu menggerakkan buffer jam yang termasuk komponen dengan kecepatan super tinggi dan tepi cepat, menghasilkan sejumlah besar arus RF, yang mungkin mengakibatkan kegagalan fungsi arus.

Jika lapisan ground lokal dirangkaikan dalam osilator dan sirkuit jam, image plane akan disediakan, digunakan untuk menangkap energi RF yang dihasilkan di dalam osilator dan sirkuit yang sesuai sehingga radiasi RF dapat dikurangi.

Aturan 20-H

Sebagai aturan empiris, aturan 20-H menggambarkan bahwa dalam PCB multilevel dengan kepadatan tinggi, untuk mengurangi energi elektromagnetik yang ditiarkan ke ruang bebas oleh papan sirkuit, ukuran lapisan daya harus lebih kecil 20H daripada lapisan ground di mana H merujuk pada jarak antara kedua lapisan. Pada Gambar 4, bagian kiri menunjukkan lapisan daya/ground tanpa desain khusus di mana radiasi tepi sangat kuat sehingga akan mempengaruhi fungsi sirkuit berdekatan. Bagian kanan menunjukkan situasi radiasi RF melalui pengurangan ukuran permukaan daya dengan X-H. Terlihat bahwa lapisan ground menarik banyak garis gaya magnet dan energi radiasi RF berkurang. Menurut hasil eksperimen, daya radiasi RF mulai menurun dari 10-H; dalam kasus 20-H, ground mampu menarik 70% fluks magnet; dalam kasus 100-H, gaya magnet mampu berkurang 98%.

Secara alami, 20-H tidak sempurna untuk semua struktur PCB. Efisiensi 20-H tergantung pada frekuensi operasi, ukuran fisik lapisan daya/ground dan jarak di antara mereka; dua elemen terakhir menentukan SRF (frekuensi resonansi sendiri) papan PCB. Penelitian menunjukkan bahwa ketika PCB beroperasi pada SRF apa pun, 20-H tidak bekerja dan ground gagal menarik energi radiasi dengan baik. Yang lebih buruk, banyak energi radiasi akan dihasilkan sebagai gantinya. Oleh karena itu, dalam sirkuit kecepatan tinggi praktis, situasi spesifik harus dipertimbangkan saat memutuskan apakah akan memilih aturan 20-H atau tidak.

Sumber Berguna
• Tips Tata Letak Kecepatan Tinggi
• Teknik Perutean PCB Kecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI
• Kesalahpahaman dan Strategi pada Desain PCB Kecepatan Tinggi
• Pemrosesan Isometrik Diferensial dan Verifikasi Simulasi Desain PCB Kecepatan Tinggi
• Layanan Manufaktur PCB Full Feature dari PCBCart - Banyak opsi nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Canggih dari PCBCart - Mulai dari 1 potong