PCB 設計: PCB 電源プレーンで信号をルーティングする必要がありますか?

繰り返しますが、長年の pcb デザインガイドには十分な背景がないという良い例があります。この質問に対する簡単な答えは「はい」です。これは、場合によっては実行できます。これは一般的な方法です。これはクライアントボードで行います。これらの製品には、スタック設計が正しく、設計を正しく配線する方法が考慮されているため、インピーダンスの問題、EMC 問題、または DC 電力損失はありません。ただし、電源層の信号または信号層の電源レールを配線する場合は、複数の次元を考慮する必要があります。電源の完全性、制御されたインピーダンス、および回路基板の DC 配電を考慮すると、問題が生じます。

PCB 電源プレーン層で信号をルーティングする方法

PCB の電源プレーン層を配線で切断する前に、次の設計要件を考慮する必要があります。

電源プレーンの電流容量

低速および高速の信号とインピーダンス

平面が参照レイヤーとして使用されている場合は、パスを返します

各エリアについて詳しく見ていきましょう。

電源プレーンの電流容量

電源プレーンを設計するときは常に、プレーン層を構成する銅のサイズに関連する電流容量が定義されています。高出力プレーンから配線を始めると、プレーンが複数の部分に分割され、各部分の電流容量は統一されたプレーン層よりも低くなります。さらに、電力層の形状が非常に複雑な場合、最終的に電流密度の高いファンネルが作成され、非常に熱くなります。この効果は、PDN アナライザーのシミュレーションで視覚化できます。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは次のように説明しています。

circuit board

高電流パワープレーンのこの領域は、低電流容量のブロッキングポイントとして機能します。

電源層の配線を補うための 1 つの解決策は、隣接する層で並列に実行されている別の電源プレーンを使用することです。この配置では、実際に電流を 2 つの平行なプレーンにシャントしているため、プレーンのどの部分の電流容量も超えないようにすることができます。ほとんどの低電力デバイスでは、通常、これについて心配する必要はありません。ただし、高電力システムを使用している場合は、システムが過熱することなく十分な電力を供給できるように、とにかくこれを行う必要がある場合があります。一般的な例は、バックプレーン (3U/6U) またはその他のラックマウントユニットです。

トラッキングインピーダンス

電源層の銅張布を通してインピーダンス制御線を配線しない場合、これについてはあまり心配する必要はありません。このリストの他のガイドライン (該当する場合) に従う限り、SPI や I2C、GPIO などの低速デジタルプロトコルは、銅コーティングを介して問題なくルーティングできます。インピーダンスが重要な高速プロトコルは別の問題であり、インピーダンスの目標に違反しないように、これらのトレースの周りに十分な銅被覆クリアランスがあることを確認する必要があります。電力注入が配線に近すぎる場合は、レイヤスタックで共平面計算を使用して、インピーダンス許容誤差に違反しないようにする必要があります。

この例では、電源層をクリアしました。これは、この層に配線用のスペースを確保しやすいためです。ボードの通常のクリアランスのために有用な機能を提供しないため、大きな中央領域の銅も無視したことに注意してください。

高いクリアランスを適用して平面を切断することに伴う危険は、最終的に銅が多くの部分に切断されることです。ワイヤが多すぎると、レイアウトの周囲に大量の銅が残り、銅が細かく切断されます。インピーダンス制御も必要な低層ボードの場合、これらすべての部品を再接続するための別の電源層がない場合があります。電源層に多くのワイヤを配線する必要がある場合は、さらに 2 つの層 (電源層とグランド層) を追加することをお勧めします。

復路

他の場合の配線と同様に、特に電源層を配線する場合は、PCB 内の信号に明確なリターンパスがあることを確認してください。ここでの問題は、隣接するレイヤーに配線する場合です。電源領域と同じレイヤーに配線する場合は、基準面にギャップを配置します。パワーエリアの場合、パワーエリアを信号の別のレイヤーのリファレンスとして使用しない限り、通常これで問題ありません。次に、これらのギャップの 1 つをたまたま通過すると、寄生インダクタンスがより高い領域が作成され、クロストークまたは外部ソースからより多くの EMI を受け取る可能性があります。

2 つのプレーンレイヤー間で伝播する低速プロトコルの場合、他のレイヤーのプレーンが均一である限り、分割された電源プレーンを介してルーティングできます。作成するインピーダンスの不連続性は電気的に短いため、反射を心配する必要はありません。また、別の層にプレーンが存在することで、この領域のインダクタンスが高くても、明確なリターンパスが確保されます。航空機が分割されるように。高速信号の場合、これはより重要です。電源層を切り離すよりも、これらの信号用のスペースを確保するために、新しい層を追加することをお勧めします。

一般化

結論として、インピーダンス制御を必要としない低速デジタル信号で動作する場合、銅張り電源の配線についてあまり心配する必要はありません。電源層周辺の電流経路に注意し、電源層を島状に切断しないようにしてください。それ以外の場合は、追加のレイヤーを使用してそこにルーティングする必要があります。さらに、必要に応じてインピーダンス要件に注意してください。銅をストリップラインまたはマイクロストリップラインに近づけすぎると、インピーダンス偏差が発生します。近くに別の基準面があることを確認し、隣接する層のギャップを介して配線しないようにしてください。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは次のように説明しています。