Những stack up thường dùng trong thiết kế mạch

0
1503

Ở bài viết này sẽ phần tích kĩ ưu nhược điểm của các stack up với số lượng layer thường dùng.

Nhắc lại một chút các yếu tố quan trọng khi sắp xếp layer trong stack-up đã được nói đến trong bài viết giới thiệu stack up: http://pcbviet.com/stack-up-la-gi

  1. Một lớp tín hiệu luôn luôn được tiếp giáp với một lớp plane liền kề.
  2. Khoảng cách giữa signal layer và lớp plane của nó phải gần nhất có thể.
  3. Power and Ground planes nên gần nhau.
  4. Tín hiệu tốc độ cao nên được đi vào giữa 2 plane. Bằng cách này thì các plane có thể hoạt động như các lá chắn.
  5. Nhiều lớp GND là rất tiện lợi, vì nó sẽ làm giảm impedance của ref plane và làm giảm nhiễu ở chế độ common mode.

Stack up 4 layers

Kiểu 1:

4L-1

Chỉ thỏa mãn (1) khoảng cách giữa các layer là bằng nhau.

Để đáp ứng được (2) thì khoảng cách giữa các ref plane và các lớp signal phải gần nhau.

4L_11

Bây giờ thì nó lại không thỏa mãn (3) nghĩa là Plane nguồn phải gần plane GND, tuy nhiên với một stack up 4 lớp thì ta sẽ ưu tiên (1) và (2) nghĩa là ưu tiên lớp tín hiệu gần lớp plane hơn là khoảng cách giữa nguồn và GND.

Kiểu 2:

Có một kiểu 4 lớp nữa được những nhà thiết kế kinh nghiệm sử dụng đó là:

4L-2

Trong trường hợp này, plane nguồn được thay thế bởi một lớp GND, và các đường nguồn sẽ được đi trên lớp TOP và BOTTOM. Trường hợp này thỏa mãn 1 2 và 5 nhưng không thỏa mãn 3 và 4.

Stack up 6 layers

Để sử dụng 2 lớp tín hiệu, nó có một lợi thế lớn so với so với stack up 4 lớp. Đi các tín hiệu tốc độ cao giữa các plane có thể làm giảm nhiễu điện từ. Đi các tín hiệu giữa các plane cũng làm giảm nhạy cảm với bức xạ, cũng như cung cấp bảo vệ ESD. Chúng ta không chỉ ngăn chặp nhiễu phát ra, mà còn làm giảm khả năng bị ảnh hưởng bởi một nguồn nhiễu bên ngoài.

Dưới đây là biểu đô so sánh mức độ nhiễu phát ra khi đi trace trên outer layer và inner layer.6L

Ta có thể thấy nhiễu phát ra từ các trace trong inner layer là ít hơn.

Kiểu 1:

6L_1

 

6L_2

Kiểu sắp xếp này thỏa mãn (1), (2), (4)

Hạn chế lớn nhất của kiểu này là sự tách biệt giữa lớp nguồn và GND. Điều này dẫn tới không có điện dung ( C ) đáng kể giữa nguồn và GND.

Kiểu 2

6L_3

Có một kiểu khác ít phổ biến hơn kiểu ở trên, nhưng nó cũng là một kiểu stack up có hiệu suất tốt đối với một stack up 6 lóp.

(để dễ nhớ dọc ngang thì H thường là để chỉ chiều cao và là theo chiều thẳng đứng, thì hozical sẽ là chiều ngang)

H1 là để chỉ là lớp tín hiệu sẽ đi ngang cho tín hiệu 1 (low speed), V1 là để chỉ lớp đi dọc cho tín hiệu 1. H2 và V2 là đại diện cho tín hiệu 2. Cấu hình này có ưu điểm là trực giao chuyển tín hiệu luôn luôn tham chiếu cùng một plane. (Thường được gọi là Dual StripLine)

Còn việc tại sao lại phải route 2 lớp tín hiệu này trực giao ( một lớp đi dọc , một lớp đi ngang) thì mình sẽ phân tích kĩ hơn ở trong bài về nhiễu EMI và bài về kĩ thuật Breakout BGA.

 

6L_4

 

Stack up 8 layers

Sẽ có thể đáp ứng được cả 5 điều kiện đã nêu ở trên, mặc dù có rất nhiều stack up có thể đáp ứng được nhưng ở đây thì ta sẽ chỉ thảo luận một vài trong số đó mà đã chứng minh được hiệu suất của nó. Như đã nói thi 8 lớp thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất EMC của board, chứ không hề tăng số lớp tín hiệu so với 6 lớp.

Một nhận xét quan trọng: 1 stack up 8 lớp mà có 6 lớp tín hiệu là không nên chút nào, nếu muốn có 6 lớp tín hiệu thì bạn hãy sử dụng một stack up 10 lớp.

Dưới đây là một sắp xếp cơ bản đối với một stack up 8 lớp

Kiểu 1:

8L_1

8L_2

Với kiểu này thì tất cả các lớp tín hệu đều có plane liền kề, và chúng là gần nhau giữa lớp tín hiệu – plane, lớp nguồn và GND

Các lớp tín hiệu highspeed được bọc giữa các plane, các plane cung cấp shielding để làm giảm sự phát ra nhiễu từ các tín hiệu. Thêm nữa là stack up sử dụng 2 lớp GND điều này làm giảm GND impedance.

Kiểu 2:

8L_3

Mặc dù không thường được sử dụng, kiểu sắp xếp này cũng đáp ứng tất cả 5 mục tiêu đề ra ở trên,và nó còn có thể một lợi thế của việc route các tín hiệu trực giao với plane liền kề

Kiểu 3:

8L_4

Kiểu này mình thấy khá là đối xứng và là hài hòa các điều kiện, nó được sử dụng trong một project mà mình may mắn và có duyên được tham gia. Stack up này bị một nhược điểm đó chính là plane nguồn và GND là không gần nhau.

Stack up 10 layers

Được sử dụng khi cần dùng đến 6 layer để route . Thường thì là 6 layer đê route tín hiệu, 4 layer plane. Nhiều hơn 6 layer để route tín hiệu trong stack up 10 lớp là không nên.

Kiểu 1

10_1

 

Đây là một stack up rất phổ biến đối với loại 10 lớp và gần như là lí tưởng. Lí do mà stack up này có hiệu suất tốt là:

  • Mỗi layer tín hiệu đều đi một cặp với một return plane gần nhất.
  • Có plane che chắn cho các layer tín hiệu high speed.
  • Có nhiều plane GND
  • Có một cặp nguồn/GND ở giữa

Tín hiệu tốc độ cao sẽ được đi ở các lớp được che chắn bởi các plane ( trong trương hợp này là 3-4 và 7-8)

Cách phổ biến để ghép tín hiệu trực giao được route trong kiểu cấu hình này là sẽ ghép lớp 1 & 10 ( chỉ tín hiệu tần số thấp ), ghép 3&4, 7&8

Dual stripline lớp 3&4 được phân tách hoàn toàn với 2 lớp 7&8 ở dưới do cặp Power/GND ở giữa

Điều này rất có ích khi đi các tín hiệu cần cách li riêng với các tín hiêu khác, nhất là đối với bọn RF, bluetooth, wifi, hoặc các tín hiệu clock cần được cách li với các tín hiệu khác trong nhóm.

Cấu hình này đáp ứng được cả 5 mục tiêu ban đầu.

Kiểu 2

10_2

Cấu hình này không có cặp power/GND gần sát nhau. Bù lại nó cung cấp 3 cặp lớp route tín hiệu được che chắn bởi plane GND trên lơp TOP, BOTTOM. Và cách li các cặp với nhau bằng các plane nguồn và GND. Tất cả các lớp tín hiệu được bảo vệ và cách li với nhau trong cấu hình này.

Chỉ không đáp ứng được 3

Mình định trình bày thêm về phần tính toán trở kháng cho MicrostripLine, StripLine, Dual StripLine cho Single Ended Mode và Differential Mode nhưng chắc bài cùng dài rồi nên mình xin tách phần này ra một phần riêng.

Bài tới các bạn muốn mình viết về phần nào trước thì comment nhé. Có rất nhiều kiến thức mà mình muốn chia sẻ với mọi người.

Mình muốn xây dựng một cộng đồng PCBViet thực sự mạnh, vững và chắc. Và muốn chứng tỏ một điều là trình độ của kĩ sư Việt Nam thực sự không thua kém so với kĩ sư nước ngoài.

Tác giả: Xuân Đại

https://www.facebook.com/nguyen.x.dai.1

 

.

Facebook Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.