PCB-Neuigkeiten - Leiterplattenrouting-Strategie

Layout ist eine der grundlegendsten beruflichen Fähigkeiten für Leiterplattendesigner. Die Qualität der Verkabelung wirkt sich direkt auf die Leistung des gesamten Systems aus. Die meisten High-Speed Design Theorien müssen schließlich implementiert und durch Layout verifiziert werden. Es kann gesehen werden, dass die Verdrahtung im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design sehr wichtig ist. Im Folgenden wird die Rationalität einiger Situationen analysiert, die in der tatsächlichen Verdrahtung auftreten können, und einige optimierte Routing-Strategien geben. Es wird hauptsächlich aus drei Aspekten erklärt: rechtwinklige Verdrahtung, Differenzverdrahtung und Serpentinenverdrahtung.

1. Rechtwinklige LeitungRechtwinklige Verdrahtung ist im Allgemeinen eine Situation, die bei der Leiterplattenverdrahtung so weit wie möglich vermieden werden muss, und sie ist fast zu einem der Standards für die Messung der Qualität der Verdrahtung geworden. Grundsätzlich ändert das rechtwinklige Routing die Leitungsbreite der Übertragungsleitung, was zu einer Unterbrechung der Impedanz führt. Tatsächlich können nicht nur rechtwinklige Fräsungen, sondern auch Ecken und Akutwinkel-Fräsungen Impedanzänderungen verursachen. Der Einfluss der rechtwinkligen Verdrahtung auf das Signal spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Erstens kann die Ecke einer kapazitiven Last auf der Übertragungsleitung entsprechen, die die Anstiegszeit verlangsamt; Die andere ist, dass Impedanzkonstinuität Signalreflexion verursacht; Die dritte ist, dass die rechtwinklige Spitze EMI erzeugt wird. Die parasitäre Kapazität, die durch den rechten Winkel der Übertragungsleitung verursacht wird, kann durch die folgende empirische Formel berechnet werden:C=61W(Er)1/2/Z0In der obigen Formel bezieht sich C auf die äquivalente Kapazität der Ecke (Einheit: pF), W bezieht sich auf die Breite der Leiterbahn (Einheit: Zoll), εr bezieht sich auf die dielektrische Konstante des Mediums und Z0 ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Zum Beispiel für eine 4Mils 50 Ohm Übertragungsleitung (εr ist 4.3), beträgt die Kapazität, die durch einen rechten Winkel gebracht wird, etwa 0.0101pF, und dann kann die dadurch verursachte Anstiegszeit geschätzt werden:T10-90%=2.2*C*Z0/2.2*0.0101*50/2.556psEs kann durch Berechnung gesehen werden, dass der Kapazitätseffekt, der durch die rechtwinklige Spur verursacht wird, extrem klein ist. Wenn die Linienbreite der rechtwinkligen Spur zunimmt, nimmt die Impedanz dort ab, so dass ein bestimmtes Signalreflexionsphänomen auftritt. Wir können die äquivalente Impedanz berechnen, nachdem die Linienbreite steigt gemäß der Impedanzberechnungsformel, die im Übertragungsleitungskapitel erwähnt wird, und dann den Reflexionskoeffizienten nach der empirischen Formel berechnen: ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0). Im Allgemeinen liegt die Impedanzänderung, die durch rechtwinklige Verdrahtung verursacht wird, zwischen 7%-20%, so dass der maximale Reflexionskoeffizient etwa 0.1 beträgt. Darüber hinaus ändert sich, wie aus der Abbildung unten ersichtlich, die Impedanz der Übertragungsleitung innerhalb der Länge der W/2-Leitung auf das Minimum und kehrt dann nach der Zeit von W/2 auf die normale Impedanz zurück. Die gesamte Impedanzänderungszeit ist extrem kurz, oft innerhalb von 10ps. Im Inneren sind solche schnellen und kleinen Änderungen für die allgemeine Signalübertragung fast vernachlässigbar. Viele Menschen haben dieses Verständnis von rechtwinkliger Verkabelung. Sie denken, dass die Spitze einfach ist, elektromagnetische Wellen zu senden oder zu empfangen und EMI zu erzeugen. Dies ist einer der Gründe geworden, warum viele Menschen denken, dass rechtwinklige Verkabelungen nicht verlegt werden können. Viele tatsächliche Testergebnisse zeigen jedoch, dass rechtwinklige Leiterbahnen keine offensichtlichen EMI erzeugen als gerade Linien. Vielleicht schränken die aktuelle Geräteleistung und das Testniveau die Genauigkeit des Tests ein, aber zumindest verdeutlicht es ein Problem. Die Strahlung der rechtwinkligen Verkabelung ist bereits kleiner als der Messfehler des Gerätes selbst. Im Allgemeinen ist die rechtwinklige Fräsung nicht so schrecklich wie gedacht. Zumindest bei Anwendungen unter GHz spiegeln sich Effekte wie Kapazität, Reflexion, EMI etc. kaum in TDR-Tests wider. Hochgeschwindigkeits-PCB-Design-Ingenieure sollten sich weiterhin auf Layout, Strom-/Erdungs-Design und Verdrahtungsdesign konzentrieren. Über Löcher und andere Aspekte. Natürlich, obwohl die Auswirkungen der rechtwinkligen Verkabelung nicht sehr ernst sind, bedeutet dies nicht, dass wir alle rechtwinklige Verkabelung in Zukunft verwenden können. Liebe zum Detail ist die Grundqualität, die jeder gute Ingenieur haben muss. Darüber hinaus wird mit der schnellen Entwicklung digitaler Schaltungen PCB Die Frequenz des von Ingenieuren verarbeiteten Signals weiter zunehmen. Im Bereich des HF-Designs über 10GHz können diese kleinen rechten Winkel zum Fokus von Hochgeschwindigkeitsproblemen werden.

2. Differentielles RoutingDifferentielles Signal (Differentielles Signal) wird mehr und mehr im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design verwendet. Das kritischste Signal in der Schaltung ist oft mit einer differentiellen Struktur ausgelegt. Was macht es so beliebt? Wie stellt man seine gute Leistung im PCB-Design sicher? Mit diesen beiden Fragen gehen wir zum nächsten Teil der Diskussion über. Was ist ein Differenzsignal? In Laienangaben sendet das Antriebsende zwei gleiche und umgekehrte Signale, und das Empfangsende beurteilt den logischen Zustand "0" oder "1", indem es die Differenz zwischen den beiden Spannungen vergleicht. Das Paar von Leitern, die Differenzsignale tragen, wird Differentialspuren genannt. Verglichen mit gewöhnlichen einseitigen Signalspuren haben Differenzsignale die offensichtlichsten Vorteile in den folgenden drei Aspekten: a. Starke Störfestigkeit, weil die Kopplung zwischen den beiden Differenzspuren sehr gut ist. Bei Störgeräuschen von außen sind sie fast gleichzeitig an die beiden Leitungen gekoppelt, und das Empfangsende kümmert sich nur um den Unterschied zwischen den beiden Signalen. Daher kann das externe Gleichtaktrauschen vollständig abgebrochen werden.b. Es kann EMI effektiv unterdrücken. Aus dem gleichen Grund können sich die von ihnen ausgestrahlten elektromagnetischen Felder aufgrund der entgegengesetzten Polarität der beiden Signale gegenseitig aufheben. Je enger die Kupplung, desto weniger elektromagnetische Energie wird nach außen entlüftet. Da der Schalterwechsel des Differenzsignals am Schnittpunkt der beiden Signale liegt, im Gegensatz zum gewöhnlichen einseitigen Signal, das von den hohen und niedrigen Schwellenspannungen abhängt, um zu bestimmen, wird er weniger durch den Prozess und die Temperatur beeinflusst, was den Fehler in der Zeit verringern kann., Aber auch besser geeignet für Signalschaltungen mit geringer Amplitude. Die aktuelle beliebte LVDS (Low Voltage Differential Signaling) bezieht sich auf diese kleine Amplitudendifferenzsignaltechnologie. Für PCB-Ingenieure ist die größte Sorge, wie sicherzustellen, dass diese Vorteile der Differenzverdrahtung vollständig in der tatsächlichen Verdrahtung genutzt werden können. Die gleiche Länge soll sicherstellen, dass die beiden Differenzsignale jederzeit entgegengesetzte Polaritäten beibehalten und die Gleichtaktkomponente reduzieren; Der gleiche Abstand besteht hauptsächlich darin, sicherzustellen, dass die Differenzimpedanzen der beiden konsistent sind und Reflexionen reduzieren. "So nah wie möglich" ist manchmal eine der Anforderungen an die Differentialdrahtung. Aber alle diese Regeln werden nicht verwendet, um mechanisch anzuwenden, und viele Ingenieure scheinen immer noch nicht das Wesen der Hochgeschwindigkeits-differenziellen Signalübertragung zu verstehen. Das Folgende konzentriert sich auf einige häufige Missverständnisse im PCB Differential Signal Design. Missverständnis 1: Es wird angenommen, dass das Differentialsignal keine Erdungsebene als Rückweg benötigt, oder dass die Differentialspuren einen Rückweg füreinander bereitstellen. Der Grund für dieses Missverständnis ist, dass sie durch oberflächliche Phänomene verwirrt werden oder der Mechanismus der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung nicht tief genug ist. Aus der Struktur des Empfangsenden der Abbildung 1-8-15 kann ersichtlich werden, dass die Emitterströme von Transistoren Q3 und Q4 gleich und entgegengesetzt sind, und dass ihre Ströme am Boden sich genau aufheben (I1=0), so dass die Differenzschaltung ähnliche Bounces und andere Rauschsignale, die auf der Leistungs- und Erdungsebene existieren können, unempfindlich sind. Die partielle Rücklaufaufhebung der Masseebene bedeutet nicht, dass der Differenzkreis die Referenzebene nicht als Signalrücklaufweg verwendet. Tatsächlich ist bei der Signalrücklaufanalyse der Mechanismus der Differenzspur und der gewöhnlichen einzelenden Spur derselbe, dh hochDas Frequenzsignal kehrt immer entlang der Schleife mit der kleinsten Induktivität zurück. Der größte Unterschied besteht darin, dass neben der Kopplung zum Boden die Differenziallinie auch gegenseitige Kopplung aufweist. Welche Art von Kupplung ist stark, welche wird zur Hauptrückkehr. Fließweg, Abbildung 1-8-16 ist ein schematisches Diagramm der geomagnetischen Feldverteilung von einseitigen Signalen und Differenzsignalen. Im PCB-Schaltungsdesign ist die Kopplung zwischen Differentialspuren im Allgemeinen klein, oft nur für 10 bis 20% des Kopplungsgrades, und mehr ist die Kopplung an die Erde, so dass der Hauptrücklauf der Differentialspure immer noch auf der Erdungsebene existiert. Wenn die Erdungsebene diskontinuierlich ist, liefert die Kopplung zwischen den Differentialspuren den Hauptrücklauf in dem Bereich ohne Bezugsebene, wie in Abbildung 1-8-17 gezeigt. Obwohl der Einfluss der Diskontinuität der Bezugsebene auf die Differentialspur nicht so gravierend ist wie der der gewöhnlichen einseitigen Spur, wird es immer noch die Qualität des Differenzsignals verringern und das EMI erhöhen, was so weit wie möglich vermieden werden sollte. Einige Konstrukteure glauben, dass die Referenzebene unter der Differentialspur entfernt werden kann, um einige Gleichtaktsignale in der Differenzübertragung zu unterdrücken. Dieser Ansatz ist jedoch in der Theorie nicht wünschenswert. Wie steuert man die Impedanz? Das Fehlen einer Erdimpedanzschleife für das Gleichtaktsignal verursacht zwangsläufig EMI-Strahlung. Dieser Ansatz schadet mehr als nützt. Missverständnis 2: Es wird angenommen, dass der gleiche Abstand wichtiger ist als die Übereinstimmung der Zeilenlänge. Im eigentlichen PCB-Layout ist es oft nicht möglich, die Anforderungen an das Differentialdesign gleichzeitig zu erfüllen. Aufgrund der Existenz von Pin-Verteilung, Durchkontaktierungen und Verdrahtungsraum muss der Zweck der Linienlängenanpassung durch ordnungsgemäße Wicklung erreicht werden, aber das Ergebnis muss sein, dass einige Bereiche des Differentialpaars nicht parallel sein können. Was sollen wir jetzt tun? Welche Wahl? Bevor wir Schlussfolgerungen ziehen, werfen wir einen Blick auf die folgenden Simulationsergebnisse. Aus den obigen Simulationsergebnissen kann man sehen, dass die Wellenformen von Schema 1 und Schema 2 fast übereinstimmen, d.h. der Einfluss, der durch den ungleichen Abstand verursacht wird, minimal ist. Im Vergleich dazu ist der Einfluss der Linienlängenunterschiede auf das Timing viel größer. (Schema 3). Obwohl der inkonsistente Abstand zu einer Änderung der Differenzimpedanz führt, weil die Kopplung zwischen dem Differenzpaar selbst nicht signifikant ist, ist der Impedanzänderungsbereich auch sehr klein, normalerweise innerhalb von 10%, was nur einem Durchgang entspricht. Die Reflexion durch das Loch hat keinen signifikanten Einfluss auf die Signalübertragung. Sobald die Leitungslänge nicht übereinstimmt, werden zusätzlich zum Timing-Offset Gleichtaktkomponenten in das Differenzsignal eingebracht, was die Signalqualität reduziert und die EMI erhöht. Es kann gesagt werden, dass die wichtigste Regel beim Design von PCB-Differentialspuren die passende Linienlänge ist, und andere Regeln können flexibel nach Designanforderungen und praktischen Anwendungen gehandhabt werden. Missverständnis 3: Denken Sie, dass die Differenzverdrahtung sehr nah sein muss. Die Nähe der Differentialspuren zu halten, ist nichts anderes als ihre Kopplung zu verbessern, was nicht nur die Störfestigkeit verbessern kann, sondern auch die entgegengesetzte Polarität des Magnetfeldes voll ausnutzen kann, um elektromagnetische Störungen nach außen auszugleichen. Obwohl dieser Ansatz in den meisten Fällen sehr vorteilhaft ist, ist er nicht absolut. Wenn wir sicherstellen können, dass sie vollständig von externen Störungen abgeschirmt sind, müssen wir keine starke Kupplung verwenden, um Interferenzschutz zu erzielen. Und der Zweck, EMI zu unterdrücken. Wie können wir eine gute Isolierung und Abschirmung von Differentialspuren sicherstellen? Das Vergrößern des Abstandes mit anderen Signalspuren ist eine der grundlegendsten Möglichkeiten. Die elektromagnetische Feldenergie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Im Allgemeinen ist die Interferenz zwischen ihnen extrem schwach, wenn der Linienabstand das Vierfache der Linienbreite überschreitet. Kann ignoriert werden. Darüber hinaus kann die Isolation durch die Bodenebene auch eine gute Abschirmfunktion spielen. Diese Struktur wird oft im Hochfrequenz-IC-Paket-PCB-Design (über 10G) verwendet. Es wird eine CPW-Struktur genannt, die eine strenge differentielle Impedanz gewährleisten kann. Steuerung (2Z0), wie in Abbildung 1-8-19 gezeigt.Differentialspuren können auch in verschiedenen Signalschichten laufen, aber diese Methode wird im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Unterschiede in Impedanz und Durchkontaktierungen, die von verschiedenen Schichten produziert werden, den Effekt der Differentialmodusübertragung zerstören und Gleichtaktrauschen einführen. Wenn die benachbarten beiden Schichten nicht fest gekoppelt sind, verringert dies die Fähigkeit der Differenzspur, Rauschen zu widerstehen, aber wenn Sie einen angemessenen Abstand zu den umliegenden Spuren beibehalten können, ist Übersprechen kein Problem. Bei allgemeinen Frequenzen (unter GHz) wird EMI kein ernsthaftes Problem darstellen. Experimente haben gezeigt, dass die Dämpfung der abgestrahlten Energie in einem Abstand von 500 Mils von der Differentialspur 60dB in einem Abstand von 3 Metern erreicht hat, was ausreicht, um den FCC-Standard für elektromagnetische Strahlung zu erfüllen, so dass der Konstrukteur nicht zu viel über die elektromagnetische Inkompatibilität sorgen muss, die durch unzureichende differentielle Linienkopplung verursacht wird.

3. Schlangenlinie Schlangenlinie ist eine Art Routing-Methode, die häufig im Layout verwendet wird. Sein Hauptzweck ist es, die Verzögerung anzupassen, um die Systemzeitentwurfsanforderungen zu erfüllen. Der Konstrukteur muss zuerst dieses Verständnis haben: Die Serpentinenleitung zerstört die Signalqualität, ändert die Übertragungsverzögerung und versucht, sie bei der Verdrahtung zu vermeiden. Welchen Effekt hat die Serpentinenleitung auf die Signalübertragung? Worauf sollte ich bei der Verkabelung achten? Die beiden wichtigsten Parameter sind die parallele Kupplungslänge (Lp) und der Kupplungsabstand (S), wie in Abbildung 1-8-21 dargestellt. Wenn das Signal auf der Serpentinenspur übertragen wird, werden natürlich die parallelen Liniensegmente in einem differentiellen Modus gekoppelt. Je kleiner das S und je größer das Lp, desto größer der Kopplungsgrad. Es kann dazu führen, dass die Übertragungsverzögerung reduziert wird und die Signalqualität aufgrund von Übersprechen stark reduziert wird. Der Mechanismus kann sich auf die Analyse von Gleichtakt- und Differentialmodus-Übersprechen in Kapitel 3 beziehen.Im Folgenden sind einige Vorschläge für Layoutingenieure beim Umgang mit Serpentinenlinien:1. Versuchen Sie, den Abstand (S) von parallelen Liniensegmenten zu erhöhen, mindestens größer als 3H, H bezieht sich auf den Abstand von der Signalspur zur Referenzebene. Für Laien heißt es, um eine große Kurve zu gehen. Solange S groß genug ist, kann der gegenseitige Kopplungseffekt fast vollständig vermieden werden.2. Reduzieren Sie die Kopplungslänge Lp, wenn sich die doppelte Lp-Verzögerung der Signalanstiegszeit nähert oder überschreitet, erreicht das erzeugte Übersprechen die Sättigung.3. Die Signalübertragungsverzögerung, die durch die Serpentinenleitung der Strip-Line oder Embedded Micro-Strip verursacht wird, ist geringer als die des Micro-Strips. Theoretisch beeinflusst die Streifenlinie die Übertragungsrate aufgrund des Differenzmodus-Übersprechens nicht.4. Versuchen Sie bei Hochgeschwindigkeitssignalleitungen und solchen mit strengen Zeitanforderungen, keine Serpentinenleitungen zu verwenden, insbesondere in kleinen Bereichen.5 Sie können oft Serpentinenspuren in jedem Winkel verwenden, wie die C-Struktur in Abbildung 1-8-20, die gegenseitige Kopplung effektiv reduzieren kann.6. Im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design hat die Serpentine-Linie keine sogenannte Filter- oder Interferenzschutzfähigkeit und kann nur die Signalqualität verringern, so dass sie nur zum Timing-Matching verwendet wird und keinen anderen Zweck hat.7 Manchmal können Sie Spiralführungen für das Wickeln in Betracht ziehen. Die Simulation zeigt, dass seine Wirkung besser ist als die normale Serpentinenführung.