استفاده از Ground Plane در تمام لایه‌های PCB | مزایا، معایب و قانون فاصله Viaها

در این بخش قصد دارم نشان دهم چگونه می‌توانید از Ground Plane در تمام لایه‌های PCB استفاده کرد. این روش مزایای بسیار خوبی دارد. البته معایبی نیز دارد، اما نشان خواهم داد که چگونه می‌توان این معایب را برطرف کرد تا بتوانید از تمام مزایای این روش بهره‌مند شوید. آقای  Hans Rosenberg می‏گوید که بیش از ۳۰ سال است که از این روش استفاده می‎کند. پس بیایید شروع کنیم.

منظور از “Ground در تمام لایه‌ها” چیست؟

ابتدا اجازه دهید دقیقاً مشخص کنیم منظور من ازGround  روی تمام لایه‌ها چیست. در تصویر زیر، بخشی از منبع تغذیه مبدلD/A (Digital-to-Analog Converter)  خودم را مشاهده می‌کنید.

در این طراحی، تقریباً در تمام لایه‌ها از Ground استفاده شده است. ساختار برد به این صورت است:

دو لایه دارای Ground Plane  کامل هستند.

1. یکی از لایه‌های داخلی
2. لایه زیرین (Bottom Layer)

این همان Layer Stackup استانداردی است که هر زمان فضای کافی داشته باشم از آن استفاده می‌کنم.

در این ساختار لایه بالایی (Top Layer) و لایه داخلی دیگر برای عبور مسیرهای سیگنال (Traces) استفاده می‌شوند. اما در هر نقطه‌ای که مسیر سیگنال وجود نداشته باشد، آن قسمت باGround Plane  پر شده است. منظور من از “Ground روی تمام لایه‌ها” دقیقاً همین است.

مزایا و معایب استفاده از Ground در تمام لایه‌ها

اکنون مزایا و معایب این روش را بررسی کنیم.

مزایا:

• مزیت اول: تعادل کامل مس (Guaranteed Copper Balance)

اولین مزیت، ایجاد تعادل کامل مس در کل برد است. کمی جلوتر علت اهمیت این موضوع را توضیح خواهم داد.

• مزیت دوم: انتقال حرارت بهتر

وقتی مقدار زیادی مس روی برد وجود داشته باشد، کل PCB به یک رسانای حرارتی بسیار خوب تبدیل می‌شود. هرکسی که تاکنون سعی کرده باشد یک قطعه SMD را از روی یکPCB  چهارلایه با Ground Planeهای بزرگ جدا کند، این موضوع را کاملاً درک می‌کند. در چنین بردهایی باید انرژی حرارتی بسیار زیادی وارد کنید تا بتوان قطعه را از برد جدا کرد. علت آن این است که Ground Plane مقدار زیادی از گرما را در سراسر برد پخش می‌کند.

معایب:

اما این روش چند عیب نیز دارد.

• کوپلینگ ناخواسته با صفحات مسی شناور

اگر قسمت‌هایی از Ground Plane که بین مسیرهای سیگنال قرار گرفته‌اند، به اندازه کافی به Ground اصلی متصل نشده باشند، ممکن است روی آن‌ها رزونانس ایجاد شود. بعداً خواهیم دید چگونه می‌توان این مشکل را برطرف کرد.

• فراموش کردن Viaهای اتصال زمین

وقتی روی تمام لایه‌ها Ground وجود داشته باشد، تقریباً تمام نقاط Ground به صورت الکتریکی به هم متصل هستند. به همین دلیل، ممکن است فراموش کنید که در کنار هر اتصال زمین، یک Via نیز قرار دهید. در حالی که برای داشتن عملکرد مناسب در مدارهای RF، وجود یک Via در کنار هر اتصال Ground کاملاً ضروری است.

اگر تنها یک Ground Plane داشته باشید، نرم‌افزار طراحی PCB به شما هشدار می‌دهد که اتصال Ground ناقص است. اما وقتی روی همه لایه‌ها Ground وجود داشته باشد، دیگر چنین هشداری دریافت نخواهید کرد. خوشبختانه برای این مشکل نیز راهکاری وجود دارد که در ادامه توضیح خواهم داد.

• احتمال ایجاد Cross Talk

به دلیل همان مشکل قبلی، اگر بعضی از Viaهای Ground فراموش شوند، احتمال ایجاد Cross Talk نیز افزایش پیدا خواهد کرد.

توضیح اصطلاح Copper Balance (تعادل مس):

Copper Balance  به یکنواخت بودن توزیع مس در تمام سطح PCB گفته می‌شود. اگر در یک سمت برد مقدار زیادی مس وجود داشته باشد و در سمت دیگر تقریباً هیچ مسی نباشد، هنگام تولید PCB تنش‌های مکانیکی ایجاد می‌شود و ممکن است کیفیت ساخت کاهش پیدا کند. یکی از مزایای استفاده از Ground Plane در تمام لایه‌ها، ایجاد تعادل مناسب در مقدار مس است.

چرا Copper Balance اهمیت دارد؟ اکنون ببینیم چرا تعادل مس اهمیت دارد.

در تصویر، مقطع عرضی یک PCB چهارلایه را مشاهده می‌کنید.

فرض کنید:

در نیمه سمت چپ هر چهار لایه، مس وجود دارد. اما در نیمه سمت راست هیچ مسی وجود ندارد.

حال هنگام تولید PCB چه اتفاقی می‌افتد؟ چندین برد روی یکدیگر قرار می‌گیرند. در تصویر، سه برد روی هم چیده شده‌اند. سپس این بردها تحت فشار و حرارت قرار می‌گیرند تا تمام لایه‌ها به یکدیگر بچسبند.

اکنون تصور کنید:

در نیمه‌ای از برد، لایه‌های مسی وجود دارند. اما در نیمه دیگر تقریباً هیچ مسی وجود ندارد. در نتیجه، فشار به صورت یکنواخت توزیع نمی‌شود. بخش فاقد مس به خوبی فشرده نشده و اتصال مناسبی بین لایه‌ها ایجاد نمی‌شود. در نهایت ممکن است لایه‌های PCB  از یکدیگر جدا شوند. به این پدیده Delamination  گفته می‌شود.

بنابراین یکی از مهم‌ترین مزایای Ground Plane در تمام لایه‌ها این است که تعادل مقدار مس به صورت خودکار حفظ می‌شود و دیگر لازم نیست نگران این مشکل باشید.

توضیح اصطلاح Delamination (جداشدگی لایه‌ها):

Delamination  به جدا شدن لایه‌های مختلف PCB از یکدیگر گفته می‌شود. این مشکل معمولاً در اثر فرآیند نامناسب تولید یا توزیع نامتقارن مس ایجاد می‌شود و می‌تواند باعث کاهش استحکام مکانیکی و حتی خرابی مدار شود.

مشکل کوپلینگ با صفحات Ground شناور

اکنون به یکی از مهم‌ترین مشکلات این روش می‌رسیم. در این آزمایش از همان مدار تست استفاده می‌کنیم.

یک سیگنال RF از طریق اینTransmission Line  ارسال می‌شود. این سیگنال به صفحات Ground موجود در دو طرف مسیر نیز کوپل می‌شود.

حال فرض کنید Viaهایی که این صفحات را به Ground اصلی متصل می‌کنند، وجود نداشته باشند. در این صورت، موج RF   وارد این صفحات خواهد شد. سپس در داخل این صفحات به جهات مختلف حرکت کرده و بارها از لبه‌ها بازتاب خواهد شد. در بعضی فرکانس‌ها، این صفحات وارد رزونانس می‌شوند. نتیجه این اتفاق، ایجاد فرورفتگی‌های عمیق (Deep Notches) در پاسخ فرکانسی خط انتقال خواهد بود. در نمودار می‌توانید چند نمونه از این فرورفتگی‌ها را مشاهده کنید.

البته این مشکل فقط در کنار مسیرهای دیجیتال پرسرعت یا مسیرهای RF رخ می‌دهد. در فرکانس‌های پایین چنین مشکلی پیش نمی‌آید؛ زیرا ابعاد PCB نسبت به طول موج سیگنال بسیار کوچک است.

تعیین فاصله مناسب بین Viaهای Ground بر اساس طول موج

همان‌طور که گفتیم، اگر صفحات Ground شناور به‌خوبی به Ground اصلی متصل نشوند، ممکن است وارد رزونانس شوند. برای جلوگیری از این مشکل، این صفحات را با استفاده از Viaها به Ground متصل کرده‌ایم.

اکنون سؤال مهم این است: به چند Via نیاز داریم؟ و فاصله مناسب بین آن‌ها چقدر باید باشد؟ مبنای این نظریه بسیار ساده است.

” اگر طول موج سیگنال نتواند بین دو Via قرار بگیرد، در عمل موج قادر نخواهد بود وارد آن صفحه Ground شود.”

به عنوان مثال در فرکانس‌های پایین، طول موج بسیار بزرگ است. در نتیجه، موج نمی‌تواند بین دو Via که فاصله کمی از یکدیگر دارند، قرار بگیرد. بنابراین وارد صفحه Ground نمی‌شود.

اما در فرکانس‌های بالا، طول موج بسیار کوتاه‌تر می‌شود. در این حالت، موج به‌راحتی از فاصله بین Viaها عبور کرده، وارد صفحه Ground  می‌شود، در آن بازتاب پیدا می‌کند و در نهایت همان رزونانس‌های ناخواسته را ایجاد می‌کند.

اندازه‌گیری عملی

برای بررسی این موضوع، نویسنده تصمیم گرفته است رابطه بین فاصله Viaها و فرکانسی که اولین رزونانس در آن ظاهر می‌شود را به‌صورت عملی اندازه‌گیری کند.

آزمایش اول:

در اولین آزمایش، دو حالت مختلف بررسی شده‌اند.

1. حالت اول (منحنی زرد)

فقط Viaهای زردرنگ روی برد وجود دارند. در این حالت، فاصله بین دو Via برابر است با ۸۷ میلی‌متر

2. حالت دوم (منحنی بنفش)

اکنون تعدادی Via جدید(بنفش‌رنگ) نیز اضافه شده‌اند. در نتیجه فاصله بین Viaها تقریباً نصف شده و برابر است با ۴۳ میلی‌متر، اکنون نتیجه اندازه‌گیری را ببینیم.

در حالت اول، اولین رزونانس در حدود ۷۰۰ مگاهرتز رخ می‌دهد. اما وقتی  Viaهای جدید اضافه می‌شوند، اولین رزونانس به حدود 1.4 گیگاهرتز منتقل می‌شود. این نتیجه بسیار جالب است. فاصله Viaها نصف شد و فرکانس رزونانس تقریباً دو برابر شد.

آزمایش دوم:

برای اطمینان از این نتیجه، آزمایش مشابهی دوباره انجام شده است. در این آزمایش نیز فاصله  Viaها از ۴۳ میلی‌متر به ۲۲ میلی‌متر کاهش یافته است. نتیجه دقیقاً مشابه آزمایش قبل است.

اولین رزونانس در حدود 1.4 گیگاهرتز قرار دارد. پس از نصف شدن فاصله Viaها، اولین رزونانس به حدود 2.8 گیگاهرتز منتقل می‌شود. باز هم مشاهده می‌کنیم که نصف شدن فاصله Viaها، تقریباً باعث دو برابر شدن فرکانس رزونانس می‌شود.

اکنون سؤال مهم این است:

آیا می‌توان بر اساس این اندازه‌گیری‌ها، فاصله مجاز بینVia ها را با یک فرمول محاسبه کرد؟

از آنجا که این موضوع به طول موج مربوط است، ابتدا باید بتوانیم طول موج سیگنال را محاسبه کنیم. برای این کار ابتدا باید سرعت انتشار سیگنال را بدانیم.

سرعت انتشار سیگنال در کابل کواکسیال و همچنین بیشتر خطوط انتقال روی PCB تقریباً برابر است با دو سوم سرعت نور که تقریباً برابر است با 20.000.0000 متر بر ثانیه، نویسنده تأکید می‌کند که می‌توان این مقدار را به عنوان یک قانون سرانگشتی (Rule of Thumb)  در اغلب محاسبات اولیه در نظر گرفت.

محاسبه طول موج

طول موج از رابطه زیر به دست می‌آید:

بنابراین اکنون می‌توان نتایج آزمایش را بررسی کرد.

نتیجه‌ای جالب در جدول زیر ارائه ‌شده است.

سه مقدار دیده می‌شود:

1. فاصله بین Viaها
2. فرکانس اولین رزونانس
3. طول موج متناظر با آن فرکانس

حال اگر فاصله Viaها را بر طول موج تقسیم کنیم، نتیجه تقریباً در تمام آزمایش‌ها یکسان است. این نسبت تقریباً برابر است با 0.33 یا به عبارت دیگر:

“یک ‌سوم طول موج“

قانون طراحی فاصله Viaها

بر اساس این آزمایش‌ها، نویسنده نتیجه می‌گیرد که مشکلات از حدود یک‌سوم طول موج شروع می‌شوند. اما برای داشتن حاشیه اطمینان مناسب، پیشنهاد می‌کند فاصله Viaها بسیار کمتر از این مقدار انتخاب شود.

قانون پیشنهادی آقای  Rosenbergچنین است:

“حداکثر فاصله بین دو Via برابر با یک‌چهارم طول موج باشد.”

به صورت ریاضی:

که نتیجه این فرمول بر حسب متر خواهد بود.

اما باید به یک نکته مهم توجه کرد که سیگنال‌های دیجیتال معمولاً موج مربعی (Square Wave) هستند. یک موج مربعی فقط از فرکانس اصلی تشکیل نشده است. بلکه شامل تعداد زیادی هارمونیک (Harmonic) نیز هست.

برای آنکه یک موج واقعاً شبیه موج مربعی باشد، باید حداقل تا هارمونیک نهم آن در نظر گرفته شود. بنابراین اگر مثلاً یک کلاک ۱۰۰ مگاهرتز دارید، در محاسبه فاصله  Viaها باید به جای ۱۰۰ مگاهرتز، مقدار ۹۰۰ مگاهرتز را در فرمول قرار دهید.

جمع‌بندی استفاده از Ground Plane در تمام لایه‌ها

اکنون می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم. استفاده ازGround Plane  در تمام لایه‌های PCB مزایای بسیار مهمی دارد.

مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

1. ایجاد تعادل مناسب مس (Copper Balance)
2. بهبود انتقال حرارت در PCB

اما برای اینکه این روش به درستی عمل کند، باید چند نکته مهم را رعایت کنید.

قانون اول

در کنار تمام مسیرهایRF و همچنین مسیرهای دیجیتال پرسرعت  باید Viaهای Ground قرار دهید. حداکثر فاصله بین دو Via باید از رابطه زیر محاسبه شود:

که نتیجه بر حسب متر خواهد بود.

قانون دوم

اگر مسیر موردنظر یک سیگنال دیجیتال است، باید فرکانس آن را در ۹ ضرب کنید.

یعنی در فرمول، به جای فرکانس اصلی  از:

استفاده کنید. زیرا شکل مناسب موج مربعی به وجود هارمونیک‌های مرتبه بالاتر وابسته است.

قانون سوم

در قسمت‌هایی از برد که قطعات مسی شناور وجود دارند اما در کنار خطوط پرسرعت قرار ندارند، لازم نیست فاصله Viaها را با این دقت رعایت کنید. در چنین نواحی، قرار دادن Viaهای معمولی برای اتصال این قسمت‌ها به Ground کافی است. البته اگر بخواهید کاملاً محافظه‌کارانه طراحی کنید، می‌توانید همین فاصله حداکثر Via را در کل برد رعایت کنید.

“نویسنده معتقد است که در بیشتر پروژه‌ها چنین کاری ضرورتی ندارد.”

چگونه مطمئن شویم هیچ Via مربوط به Ground فراموش نشده است؟

اکنون تنها یک مشکل باقی می‌ماند. وقتی روی تمام لایه‌ها Ground Plane وجود دارد، نرم‌افزار طراحی دیگر به شما هشدار نمی‌دهد که در کنار یکی از پایه‌هایGround، یک Via قرار نداده‌اید. برای حل این مشکل، نویسنده یک روش کاری بسیار ساده پیشنهاد می‌کند.

مرحله اول: ابتدا طراحی PCB را فقط با یک Ground Plane اصلی آغاز کنید. برای مثال، فقط لایهInner 1  را به عنوان صفحه زمین تعریف کنید.

مرحله دوم: اکنون در کنار تمام پایه‌های Ground یک Via قرار دهید. در این مرحله، قابلیتConnectivity Check  یا Design Rule Check (DRC) نرم‌افزار به شما کمک می‌کند. تا زمانی که یک پایه Ground هنوز به  Ground Plane متصل نشده باشد، نرم‌افزار آن را به عنوان یک خطای اتصال نمایش خواهد داد. به این ترتیب، هیچ اتصال زمینی از قلم نخواهد افتاد.

توضیح اصطلاح Design Rule Check (DRC)

DRC مجموعه‌ای از بررسی‌های خودکار در نرم‌افزارهای طراحی PCB است که قوانین طراحی را کنترل می‌کند؛ مانند عرض مسیرها، فاصله بین ترک‌ها، اتصال صحیح نت‌ها و سایر محدودیت‌های ساخت. این ابزار یکی از مهم‌ترین امکانات برای جلوگیری از خطاهای طراحی پیش از تولید برد است.

نکته بسیار مهم

در این مرحله باید دقت کنید که دو نقطه Ground را با یک ترک روی لایه بالا به یکدیگر متصل نکنید. اگر چنین کاری انجام دهید، نرم‌افزار تصور می‌کند اتصال صحیح برقرار شده است. در نتیجه دیگر متوجه نخواهد شد که آن نقطه هنوز Via اختصاصی ندارد. بنابراین، این روش تنها زمانی به‌درستی عمل می‌کند که هر اتصال Ground مستقیماً از طریق Via به Ground Plane  متصل شود. به این ترتیب، نرم‌افزار شما را مجبور می‌کند که برای تمام نقاط Ground یک Via قرار دهید.

مرحله نهایی

پس از اینکه طراحی کاملاً به پایان رسید و مطمئن شدید همه Viaهای Ground در جای خود قرار دارند، اکنون می‌توانید Ground Plane را روی سایر لایه‌ها نیز اضافه کنید. در این مرحله دیگر تمام مزایای استفاده از Ground در همه لایه‌ها را خواهید داشت، بدون اینکه خطر فراموش شدن Viaها وجود داشته باشد.

اگر بعداً طراحی را تغییر دادید و اگر بعد از این مرحله دوباره بخواهید Layout را تغییر دهید، بهتر است:

ابتدا تمام  Ground Planeهای اضافه‌شده روی سایر لایه‌ها را موقتاً حذف کنید. سپس تغییرات موردنظر را انجام دهید و دوباره بررسی کنید که تمام نقاط Ground دارای Via اختصاصی باشند. پس از اطمینان از صحت طراحی، Ground Planeها را دوباره اضافه کنید. به این ترتیب، احتمال بروز خطا تقریباً به صفر می‌رسد.