Elektronisches Design - High-Speed PCB Design: die richtige Wahl der Leiterplatte

Mit der rasanten Entwicklung digitaler Systeme, Verlust der Übertragungsleitung, die zuvor als unbedeutend angesehen wurde, wird nun zum vorrangigen Anliegen der PCB-Design. Wenn die Taktfrequenz höher als 1GHz ist, der Einfluss frequenzabhängiger Übertragungsverluste tatsächlich eingetreten ist, insbesondere die Hochgeschwindigkeits-SerDes-Schnittstelle, das Signal hat eine sehr schnelle Anstiegszeit, und das digitale Signal kann mehr Hochfrequenzenergie als seine eigene Wiederholungsfrequenz tragen. Diese hochfrequenten Energiekomponenten werden verwendet, um ideale schnell konvertierende digitale Signale zu konstruieren. Heutige Hochgeschwindigkeitsbusse haben oft eine große Energiekonzentration auf die fünfte Oberschwingung der Taktfrequenz.

Es gibt viele digitale Hochgeschwindigkeitsanwendungen, mit Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s oder höher. Diese Anwendungen verwenden eine Grundfrequenz von 5 GHz und Oberschwingungen von 15 GHz, 25 GHz, etc. In diesem Frequenzbereich, most common PCB materials have very significant differences in dielectric loss (Df), und ernsthafte Probleme mit der Signalintegrität verursachen. Dies ist einer der Gründe, warum digitale Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten Spezialplatten für Hochfrequenzanwendungen verwenden. Die Formulierung dieser Materialien hat einen niedrigen Verlustfaktor und hat minimale Veränderungen über einen weiten Frequenzbereich. Diese Platten wurden in der Vergangenheit häufig in Hochfrequenz-HF-Anwendungen eingesetzt und werden auch heute noch in 77-GHz- und höheren Anwendungen eingesetzt.. Zusätzlich zur Verbesserung der dielektrischen Verlustfaktoren, Diese Platten sind auch mit strenger Dickenkontrolle und Dk-Kontrolle ausgestattet, was besser ist, um die Signalintegrität zu gewährleisten.

Auf der 2019 Taipei Computer Show veröffentlichte AMD den Ryzen Ryzen Prozessor der dritten Generation. Zusätzlich zur Leistung der 7-Nanometer-CPU von AMDâ™s begann sie Intel zu unterdrücken. Der unterstützte X570 Chipsatz führte auch Unterstützung für PCIe 4.0 ein. PCIe 4.0 NVMe SSDs wurden ebenfalls auf den Markt eingeführt, und es wird erwartet, dass die PCIe 5.0 Spezifikation zwei Jahre später veröffentlicht wird.

Die Datenrate von PCIe 5.0 wird ein erschreckendes 32GT/s erreichen, was den frequenzbezogenen Einfügeverlust verschärft. Das ausgewählte Leiterplattenmaterial wird einen großen Einfluss auf den Einfügeverlust jedes Bereichs haben.

Wenn der Einfluss der Platine auf das Hochgeschwindigkeitssignal beim Design der Leiterplatte nicht berücksichtigt wird, wird der alte Fahrer auch das Auto umstürzen!

Bei der Auswahl einer Leiterplatte ist es notwendig, ein Gleichgewicht zwischen der Erfüllung der PCB-Designanforderungen, der Massenproduktion und den Kosten zu finden. Einfach ausgedrückt, umfassen die Konstruktionsanforderungen elektrische und strukturelle Zuverlässigkeit. Normalerweise ist das Leiterplattenproblem wichtiger, wenn sehr schnelle Leiterplatten entworfen werden (Frequenz größer als GHz). Beispielsweise weist das übliche FR-4-Material einen großen dielektrischen Verlust Df (Dielektrikloss) bei einer Frequenz von mehreren GHz auf, was möglicherweise nicht anwendbar ist.

Die Arbeitsgeschwindigkeit von digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist der Hauptfaktor, der bei der Leiterplattenauswahl berücksichtigt wird. Je höher die Schaltungsgeschwindigkeit, desto kleiner ist der Df-Wert der ausgewählten Leiterplatte. Leiterplatten mit mittlerem und niedrigem Verlust sind für 10Gb/s digitale Schaltungen geeignet; Platinen mit geringerem Verlust eignen sich für 25Gb/s digitale Schaltungen; Platinen mit ultra-geringem Verlust eignen sich für schnellere Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen, und die Rate kann 50Gb /s oder höher sein.

Aus dem Material Df:

Df zwischen 0.01～0.005 Leiterplatte passend für obere Grenze der 10Gb/S Digitalschaltung;

Df ist zwischen 0.005～0.003, die geeignete obere Grenze der Leiterplatte ist 25Gb/S Digitalschaltung;

Die Leiterplatte mit Df nicht über 0.0015 ist geeignet für 50Gb/S oder auch höhergeschwindigkeits-Digitalschaltungen.

Bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist es notwendig zu prüfen, ob die Materialauswahl und das Design die Anforderungen an die Signalintegrität beim Design erfüllen, was eine Minimierung der Signalübertragungsverluste erfordert.

PCB-Übertragungsverlust besteht hauptsächlich aus dielektrischem Verlust, Leiterverlust und Strahlungsverlust.

Wenn das Hochfrequenzsignal vom Treiber zum Empfänger auf der Leiterplatte entlang einer langen Übertragungsleitung übertragen wird, hat der Verlustfaktor des dielektrischen Materials einen großen Einfluss auf das Signal. Größerer Dissipationsfaktor bedeutet eine höhere dielektrische Absorption. Materialien mit größeren Verlustfaktoren beeinflussen Hochfrequenzsignale auf langen Übertragungsleitungen. Dielektrische Absorption erhöht die Hochfrequenzdämpfung.

Das am häufigsten verwendete dielektrische Material für PCB ist FR-4, das ein Epoxidharzglaslaminat verwendet, das die Anforderungen einer Vielzahl von Prozessbedingungen erfüllen kann. Die εr von FR-4 liegt zwischen 4.1 und 4.5. GETEK ist ein weiteres Material, das für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten verwendet werden kann. GETEK besteht aus Epoxidharz (Polyphenylenether) mit εr zwischen 3,6 und 4,2.

Leitungsverlust

Der Fluss der Ladung durch das Material verursacht Energieverluste. Der Leiterverlust der äußeren Mikrostreifenleitung und der inneren Streifenleitung kann in zwei Teile unterteilt werden: DC- und AC-Verlust. Der hier erwähnte Gleichstrom ist eine Schaltung unterhalb von 1MHz. Obwohl DC-Verlust im Allgemeinen nicht für den Entwurf von Hochgeschwindigkeitsschaltungen geeignet ist, greift der Abfall des Widerstands auf den Logikpegel und die Rauschtoleranz von Mehrpunktsystemen (wie SODIMM DDR3/4 Adress- und Befehlssteuerungsbusverdrahtung) ein. Allerdings hat der Bordspeicher in der Regel eine Signalkabellänge von weniger als 3 Zoll. Aus diesem Grund wird dieses Problem nicht hervorgehoben.

Für einen typischen 5-mil-breiten, 1,4-mil-dicken (1oz Kupfer), 1-Zoll-langen Schaltkreis, ist der Widerstand des Signalweges normalerweise 0,1 Ohm/Zoll, wenn Gleichstromleistung angewendet wird. Der Massenwiderstand von Kupfer und den meisten anderen Metallen ist konstant, bis die Frequenz 100 GHz erreicht. In jedem Fall ist es der Skin-Effekt, der die Frequenzabhängigkeit des Leiters auslöst.

Wechselstrom hat aufgrund seiner Frequenzabhängigkeit einen resistiven oder induktiven Leiterverlust. Bei niedrigen Frequenzen, einige PCB-Designer think that resistance and inductance are the same as direct current, aber mit zunehmender Frequenz, Die Querschnittsstromverteilung auf der Übertragungsleitung und der Bezugsfläche wird ungleichmäßig und bewegt sich nach außen des Leiters. Aufgrund der Hautwirkung, Der Strom wird gezwungen, in die äußere Oberfläche des Kupfers einzudringen, was den Verlust erheblich erhöht. Die Umverteilung des Stroms erhöht den Widerstand und verringert die Spuleninduktivität pro Längeneinheit. Da die Frequenz auf mehr als 1GHz ansteigt, der Widerstand weiter zunimmt, und die Spuleninduktivität erreicht einen Grenzwert und wird zu einer externen Induktivität. Je höher die Frequenz, je größer die Strömungsneigung auf der Leiteraußenfläche. Der Wechselstromwiderstand bleibt ungefähr gleich dem Gleichstromwiderstand, bis die Frequenz auf einen bestimmten Punkt ansteigt, das ist, wenn die Hauttiefe kleiner als die Dicke des Leiters ist.