Leiterplattentechnisch - High-Speed PCB Steuerbarkeit und elektromagnetische Kompatibilität Design

(1) Herausforderungen beim Entwurf elektronischer Systeme

Mit der großen Zunahme des Systems Design Komplexität und Integration, elektronisches System Designer are engaged in circuit Design über 100MHZ, und die Betriebsfrequenz des Busses hat 50MHZ erreicht oder überschritten, und einige sogar 100MHZ überschritten. Zur Zeit, ca. 50% der Designs haben eine Taktfrequenz von mehr als 50MHz, und fast 20% der Designs haben eine Taktfrequenz von mehr als 120MHz.

Wenn das System mit 50MHz arbeitet, Es wird Übertragungsleitungseffekte und Signalintegritätsprobleme geben; wenn die Systemuhr 120MHz erreicht, unless Hochgeschwindigkeits-SchaltungsDesign Wissen wird genutzt, PCBs Designdie auf traditionellen Methoden basieren wird nicht funktionieren. Daher, Hochgeschwindigkeitsstrecke Design Technologie ist zu einem Design Verfahren, das elektronische System DesignSie müssen. Die Steuerbarkeit der Design Der Prozess kann nur durch die Verwendung der Design Techniken der Hochgeschwindigkeitsschaltung Designers.

(2) Was ist eine Hochgeschwindigkeitsstrecke?

Es wird allgemein angenommen, dass, wenn die Frequenz einer digitalen Logikschaltung 45MHZ~50MHZ erreicht oder überschreitet, und die Schaltung, die über dieser Frequenz arbeitet, einen bestimmten Anteil des gesamten elektronischen Systems aufgenommen hat (zum Beispiel 1/3), es eine Hochgeschwindigkeitsschaltung genannt wird.

Tatsächlich ist die Oberschwingungsfrequenz der Signalkante höher als die Frequenz des Signals selbst. Es sind die steigenden und fallenden Kanten des Signals (oder Signalsprünge), die unerwartete Ergebnisse bei der Signalübertragung verursachen. Daher wird allgemein vereinbart, dass, wenn die Leitungsausbreitungsverzögerung größer als 1/2 der Anstiegszeit des digitalen Signalantriebsende ist, solche Signale als Hochgeschwindigkeitssignale angesehen werden und Übertragungsleitungseffekte erzeugen.

Die Übertragung des Signals erfolgt in dem Moment, wenn sich der Signalzustand ändert, wie z.B. die Steig- oder Fallzeit. Das Signal durchläuft einen festen Zeitraum vom Antriebsende zum Empfangsende. Wenn die Sendezeit kleiner als 1/2 der Steig- oder Fallzeit ist, erreicht das reflektierte Signal vom Empfangsende das treibende Ende, bevor das Signal den Zustand ändert. Umgekehrt erreicht das reflektierte Signal das Antriebsende, nachdem das Signal den Zustand ändert. Wenn das reflektierte Signal stark ist, kann die überlagerte Wellenform den Logikzustand ändern.

(3) Bestimmung von Hochgeschwindigkeitssignalen

Oben haben wir die Voraussetzungen für das Auftreten von Übertragungsleitungseffekten definiert, aber woher wissen wir, ob die Leitungsverzögerung größer ist als 1/2 die Signalanstiegszeit des Antriebsenden? Im Allgemeinen kann der typische Wert der Signalanstiegszeit im Gerätehandbuch angegeben werden, und die Signalausbreitungszeit wird durch die tatsächliche Verdrahtungslänge im PCB-Design bestimmt. Die folgende Abbildung zeigt den entsprechenden Zusammenhang zwischen der Signalanstiegszeit und der zulässigen Verdrahtungslänge (Verzögerung).

Die Verzögerung pro Zoll auf der PCB ist 0.167ns. Allerdings, wenn es viele Vias gibt, viele Gerätestifte, und viele Einschränkungen auf dem Netzwerkkabel, wird sich die Verzögerung erhöhen. Allgemein, Die Signalanstiegszeit von Hochgeschwindigkeits-Logikgeräten beträgt etwa 0.2ns. Wenn es GaAs Chips auf dem Board gibt, die maximale Verdrahtungslänge beträgt 7.62mm.

Lassen Sie Tr die Signalanstiegszeit und Tpd die Signalleitung Ausbreitungsverzögerung sein. Bei Trâ฀ 4Tpd fällt das Signal in einen sicheren Bereich. Bei 2Tpd fällt das Signal in den Unsicherheitsbereich. Bei Trâ­2Tpd fällt das Signal in den Problembereich. Für Signale, die in unsichere Bereiche und Problembereiche fallen, sollten Hochgeschwindigkeitsverbindungsverfahren verwendet werden.

(4) Was ist eine Übertragungsleitung

Die Spuren auf demLeiterplattecan be equivalent to the series and parallel capacitance, Widerstands- und Induktivitätsstrukturen, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind. Der typische Wert des Serienwiderstands ist 0.25-0.55 Ohm/Fuß. Wegen der Isolierschicht, der Widerstand des Parallelwiderstands ist in der Regel sehr hoch. Nach Zugabe parasitärer Resistenz, Kapazität und Induktivität zum Ist- PCB Verkabelung, Die Endimpedanz auf der Verdrahtung wird die charakteristische Impedanz Zo genannt. Je breiter der Drahtdurchmesser, je näher an der Macht/Boden, oder je höher die Dielektrizitätskonstante der Isolationsschicht, je kleiner die charakteristische Impedanz. Wenn die Impedanz der Übertragungsleitung und des Empfangsenden nicht übereinstimmen, Das Ausgangsstromsignal und der endgültige stabile Zustand des Signals werden unterschiedlich sein, die bewirkt, dass das Signal am Empfangsende reflektiert wird, und dieses reflektierte Signal wird zurück an das Signal sendende Ende gesendet und wieder reflektiert. Wenn die Energie abnimmt, Die Amplitude des reflektierten Signals nimmt ab, bis sich Spannung und Strom des Signals stabilisieren. Dieser Effekt wird Oszillation genannt, und die Schwingung eines Signals kann oft an den steigenden und fallenden Kanten des Signals gesehen werden.

(5) Übertragungsleitungseffekt

Basierend auf dem oben definierten Übertragungsleitungsmodell, um zusammenzufassen, bringt die Übertragungsleitung die folgenden Effekte auf das gesamte SchaltungsDesign.

Reflektierte Signale

• Verzögerung, Timing Fehler

• Wiederholtes Überschreiten des Schwellenwertfehlers der Logik-Ebene Falsches Umschalten

• Overshoot/Undershoot

• Induziertes Rauschen (oder Übersprechen)

EMI-Strahlung

5.1 Reflektiertes Signal

Wenn eine Leiterbahn nicht ordnungsgemäß beendet ist (Klemmenabgleich), wird der Signalimpuls vom Antriebsende am Empfangsende reflektiert, was unerwartete Effekte verursacht und das Signalprofil verzerrt. Wenn die Verzerrung sehr signifikant ist, kann sie eine Vielzahl von Fehlern verursachen und Konstruktionsfehler verursachen. Gleichzeitig steigt die Empfindlichkeit des verzerrten Signals gegenüber Rauschen, was auch zu Konstruktionsfehlern führen kann. Wenn die obige Situation nicht genug betrachtet wird, wird die EMI erheblich zunehmen, was nicht nur die Ergebnisse seines eigenen Designs beeinflusst, sondern auch den Ausfall des gesamten Systems verursacht.

Die Hauptgründe für reflektierte Signale sind: zu lange Spuren; Übertragungsleitungen, die nicht durch Abgleich, übermäßige Kapazität oder Induktivität und Impedanzmissstimmung beendet werden.

5.2 Verzögerungs- und Zeitfehler

Signalverzögerung und Timing-Fehler manifestieren sich als: Das Signal springt für einen Zeitraum nicht, wenn das Signal zwischen den hohen und niedrigen Schwellenwerten des Logikpegels wechselt. Übermäßige Signalverzögerung kann Zeitfehler und Verwirrung der Gerätefunktionen verursachen.

Probleme entstehen in der Regel, wenn es mehrere Empfänger gibt. Der SchaltungsDesigner muss die ungünstigste Zeitverzögerung bestimmen, um die Richtigkeit des Designs sicherzustellen. Der Grund für die Signalverzögerung: Der Treiber ist überlastet und die Verkabelung ist zu lang.

5.3 Mehrmaliges Überschreiten des Schwellenfehlers der Logik

Das Signal kann während des Übergangsprozesses mehrmals den Schwellenwert der Logik überschreiten, was zu einer solchen Fehlerart führt. Der Fehler beim mehrfachen Überschreiten der Logiknegelschwelle ist eine spezielle Form der Signaloszillation, das heißt, die Oszillation des Signals tritt in der Nähe der Logiknegelschwelle auf, und das mehrfache Überschreiten der Logiknegelschwelle verursacht die Logikfunktionsstörung. Ursachen von reflektierten Signalen: lange Spuren, unbestimmte Übertragungsleitungen, übermäßige Kapazität oder Induktivität und Impedanzanpassung.

5.4 Über- und Unterschießen

Overshoot und Undershoot haben zwei Gründe: Die Spur ist zu lang oder das Signal ändert sich zu schnell. Obwohl die meisten Komponenten-Empfangsenden durch Eingangsschutzdioden geschützt sind, überschreiten diese Überschreitungen manchmal den Spannungsbereich der Komponenten-Stromversorgung bei weitem und beschädigen Komponenten.

5.5 Übersprechen

Übersprechen manifestiert sich so, als wenn ein Signal durch eine Signalleitung geht, wird das relevante Signal auf der Signalleitung, die an sie angrenzt, auf der Leiterplatte induziert. Wir nennen es Übersprechen.

Je näher die Signalleitung an der Erde liegt, desto größer ist der Leitungsabstand und desto kleiner ist das erzeugte Übersprechersignal. Asynchrone Signale und Taktsignale sind anfälliger für Übersprechen. Daher besteht die Methode des Übersprechens darin, das Übersprechensignal zu entfernen oder das Signal abzuschirmen, das ernsthaft gestört wird.

5.6 Elektromagnetische Strahlung

EMI (Electro-Magnetic Interference) bezieht sich auf elektromagnetische Störungen. Zu den verursachten Problemen gehören übermäßige elektromagnetische Strahlung und Anfälligkeit für elektromagnetische Strahlung. EMI manifestiert sich darin, dass, wenn ein digitales System eingeschaltet wird, es elektromagnetische Wellen in die Umgebung ausstrahlt und dadurch den normalen Betrieb elektronischer Geräte in der Umgebung stört. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Betriebsfrequenz der Schaltung zu hoch ist und das Layout unzumutbar ist. Es gibt Softwaretools für die EMI-Simulation, aber EMI-Simulatoren sind sehr teuer, und es ist schwierig, Simulationsparameter und Randbedingungen festzulegen, die direkt die Genauigkeit und Praktikabilität der Simulationsergebnisse beeinflussen. Der häufigste Ansatz besteht darin, die verschiedenen Designregeln für die Steuerung von EMI in jedem Aspekt des Designs anzuwenden, um die regelgesteuerte und kontrollierte Steuerung in jedem Aspekt des Designs zu realisieren.

(6) Methoden zur Vermeidung von Übertragungsleitungseffekten

Angesichts der Einflüsse, die durch die oben genannten Übertragungsleitungsprobleme eingeführt werden, sprechen wir über die Methoden, diese Einflüsse aus den folgenden Aspekten zu steuern.

6.1 Steuern Sie streng die Länge der Schlüsselnetzwerkkabel

Wenn eine Hochgeschwindigkeitsübergangskante in der Design, das Problem der Übertragungsleitungswirkung auf die PCB muss berücksichtigt werden. Schnelle integrierte Schaltungschips mit sehr hohen Taktfrequenzen, die heutzutage häufig verwendet werden, haben solche Probleme. Es gibt einige Grundprinzipien, um dieses Problem zu lösen: Wenn CMOS- oder TTL-Schaltungen für Design, die Betriebsfrequenz ist kleiner als 10MHz, und die Verdrahtungslänge sollte nicht größer als 7 Zoll sein. Die Verdrahtungslänge sollte nicht größer als 1 sein.5 Zoll bei 50MHz. Wenn die Betriebsfrequenz 75MHz erreicht oder überschreitet, Die Verdrahtungslänge sollte 1 Zoll sein. Die maximale Verdrahtungslänge für GaAs-Chips sollte 0 betragen.3 Zoll. Wird diese Norm überschritten, es wird Übertragungsleitungsprobleme geben.

6.2 Planen Sie die Topologie der Verdrahtung vernünftig

Eine weitere Möglichkeit, den Übertragungsleitungseffekt zu lösen, besteht darin, den richtigen Verdrahtungsweg und die richtige Klemmentopologie auszuwählen. Die topologische Struktur der Verdrahtung bezieht sich auf die Verdrahtungsfolge und Verdrahtungsstruktur eines Netzwerkkabels. Bei Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Logikgeräten werden Signale mit schnell wechselnden Kanten durch die Verzweigungsspuren auf der Signalstammspur verzerrt, sofern die Länge des Trace-Zweigs nicht kurz gehalten wird. Unter normalen Umständen verwendet PCB-Routing zwei grundlegende Topologien, nämlich Daisy Chain Routing und Star Distribution.

Bei der Daisy Chain Verdrahtung beginnt die Verdrahtung vom Antriebsende und erreicht nacheinander jedes Empfangsende. Wird ein Reihenwiderstand verwendet, um die Signaleigenschaften zu ändern, sollte die Position des Reihenwiderstands nahe am Antriebsende liegen. In Bezug auf die Steuerung der harmonischen Störung der Verdrahtung hoher Ordnung hat die Gänseblümchenverdrahtung den besten Effekt. Diese Verdrahtungsmethode hat jedoch die niedrigste Verteilungsrate, und es ist nicht einfach, 100%. Bei der eigentlichen Auslegung machen wir die Verzweigungslänge in der Daisy Chain Verdrahtung so kurz wie möglich. Der Wert der sicheren Länge sollte lauten: Stub Delay <= Trt *0.1.

Zum Beispiel sollte die Länge des Abzweigenden in einer Hochgeschwindigkeits-TTL-Schaltung kleiner als 1,5 Zoll sein. Diese Topologie nimmt weniger Verdrahtungsraum ein und kann mit einem einzigen Widerstand beendet werden. Diese Verdrahtungsstruktur macht jedoch den Empfang von Signalen an verschiedenen Signalempfangenden asynchron.

Die Sterntopologiestruktur kann das asynchrone Problem des Taktsignals effektiv vermeiden, aber es ist sehr schwierig, die Verkabelung auf der Leiterplatte mit hoher Dichte manuell abzuschließen. Die Verwendung eines automatischen Routers ist der beste Weg, um die Sternverdrahtung abzuschließen. An jedem Zweig sind Abschlusswiderstände erforderlich. Der Widerstand des Anschlusswiderstandes sollte der charakteristischen Impedanz der Verbindung entsprechen. Diese kann manuell oder mit CAD-Werkzeugen berechnet werden, um den charakteristischen Impedanzwert und den Klemmenabgleich-Widerstandswert zu berechnen.

In den beiden oben genannten Beispielen werden einfache Klemmwiderstände verwendet. In der Praxis können komplexere Matching-Terminals ausgewählt werden. Die erste Option ist RC Matching Terminal. Das RC-Matching-Terminal kann den Stromverbrauch reduzieren, kann aber nur verwendet werden, wenn das Signal relativ stabil ist. Diese Methode eignet sich am besten zum Abgleichen des Taktliniensignals. Der Nachteil ist, dass die Kapazität in der RC-Matching-Klemme die Form und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals beeinflussen kann.

Die Reihenwiderstandsanpassung erzeugt keinen zusätzlichen Stromverbrauch, verlangsamt aber die Signalübertragung. Diese Methode wird für Busantriebsschaltungen verwendet, bei denen die Zeitverzögerung wenig Auswirkungen hat. Der Vorteil der Reihenwiderstandsanpassung ist, dass sie die Anzahl der Bordgeräte und die Verdrahtungsdichte reduzieren kann.

Die letzte Methode besteht darin, das passende Terminal zu trennen. Auf diese Weise muss das passende Bauteil nahe dem Empfangsende platziert werden. Der Vorteil ist, dass es das Signal nicht herunterzieht und Rauschen sehr gut vermieden werden kann. Typischerweise verwendet für TTL-Eingangssignale (ACT, HCT, FAST).

Darüber hinaus sind der Gehäusetyp und der Installationstyp des Klemmenabpassers ebenfalls zu berücksichtigen. Im Allgemeinen haben SMD-Oberflächenmontagewiderstände eine niedrigere Induktivität als Durchgangslochkomponenten, so dass SMD-verpackte Komponenten die erste Wahl werden. Wenn Sie gewöhnliche Inline-Widerstände wählen, gibt es auch zwei Optionen für die Installation: vertikal und horizontal.

Im vertikalen Installationsmodus ist ein Montagestift des Widerstands sehr kurz, was den thermischen Widerstand zwischen dem Widerstand und der Leiterplatte verringern kann, so dass die Wärme des Widerstands leichter in die Luft abgeleitet werden kann. Aber eine längere vertikale Installation erhöht die Induktivität des Widerstands. Die horizontale Installation hat eine geringere Induktivität aufgrund der geringeren Installation. Allerdings wird der überhitzte Widerstand driften. Im schlimmsten Fall wird der Widerstand zu einem offenen Stromkreis, wodurch der PCB-Leiterplattenabschluss-Matching-Fehler verursacht und ein potenzieller Fehlerfaktor wird.

6.3 Methoden zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen

A good solution to the signal integrity problem will improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the Leiterplatte. Eine der sehr wichtigen Aspekte ist, sicherzustellen, dass die PCB Board hat eine gute Erdung. Es ist sehr effektiv, eine Signalschicht mit einer Masseschicht für komplexe Designs. Darüber hinaus, Die Minimierung der Signaldichte der äußersten Schicht der Leiterplatte ist auch eine gute Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung zu reduzieren. Dieses Verfahren kann mit der "Oberflächenschicht"-Technologie "Aufbau" realisiert werden. Design und Herstellung PCB. Die Oberflächenschicht wird durch Hinzufügen einer Kombination aus einer dünnen Isolierschicht und Mikrolöchern realisiert, die verwendet werden, um diese Schichten in einem gemeinsamen Prozess zu durchdringen PCB. Der Widerstand und die Kapazität können unter der Oberflächenschicht begraben werden, und die Spurendichte pro Flächeneinheit wird nahezu verdoppelt. Verringern Sie die Größe der PCB. Die Verringerung der PCB Fläche hat einen großen Einfluss auf die topologische Struktur der Spur, was bedeutet, dass die Stromschleife reduziert wird, die Länge der Abzweigspur wird reduziert, und die elektromagnetische Strahlung ist ungefähr proportional zur Fläche der Stromschleife; zur gleichen Zeit, Die kleine Größe ermöglicht Blei mit hoher Dichte Fußverpackte Geräte können verwendet werden, was wiederum die Länge des Drahtes reduziert, Dadurch wird die Stromschleife reduziert und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.

6.4 Andere anwendbare Technologien

Um das momentane Überschreiten der Spannung an der Stromversorgung des integrierten Schaltungschips zu reduzieren, sollte dem integrierten Schaltungschip ein Entkopplungskondensator hinzugefügt werden. Dies kann effektiv die Auswirkungen von Graten auf die Stromversorgung entfernen und die Strahlung der Stromschleife auf der Leiterplatte reduzieren.

Wenn der Entkopplungskondensator direkt mit dem Netzrohrbein des integrierten Schaltkreises anstelle der Leistungsschicht verbunden ist, ist der Effekt der Gratgleichung am besten. Aus diesem Grund haben einige Gerätesteckdosen Entkopplungskondensatoren, und einige Geräte erfordern, dass der Abstand zwischen dem Entkopplungskondensator und dem Gerät klein genug ist.

Alle High-Speed- und High-Power-Geräte sollten so weit wie möglich zusammengebaut werden, um den vorübergehenden Überschuss der Versorgungsspannung zu reduzieren.

Wenn es keine Stromschicht gibt, bildet die lange Stromverbindung eine Schleife zwischen dem Signal und der Schleife und wird zu einer Strahlungsquelle und einem empfindlichen Stromkreis.

Die Situation, in der die Leiterbahnen eine Schleife bilden, die nicht dasselbe Netzwerkkabel oder andere Leiterbahnen kreuzt, wird als offene Schleife bezeichnet. Wenn die Schleife durch andere Drähte desselben Netzwerkkabels verläuft, bildet sie einen geschlossenen Kreislauf. In beiden Fällen entstehen Antenneneffekte (Drahtantennen und Loopantennen). Die Antenne erzeugt EMI-Strahlung von außen und ist auch selbst ein empfindlicher Schaltkreis. Der geschlossene Kreislauf ist ein Problem, das berücksichtigt werden muss, da die Strahlung, die er erzeugt, ungefähr proportional zur geschlossenen Kreislauffläche ist.

Schlussbemerkungen

High-speed SchaltungsDesign ist eine sehr komplizierte Design Prozess. ZUKEN's high-speed circuit routing algorithm (Route Editor) and EMC/EMI analysis software (INCASES, Hot-Stage) are used to analyze and find Probleme. Die in diesem Artikel beschriebene Methode zielt speziell auf die Lösung dieser Hochgeschwindigkeitsschaltung ab. Design problems. Darüber hinaus, Es gibt mehrere Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, wenn Designin Hochgeschwindigkeitsstrecken, und diese Faktoren sind manchmal gegensätzlich. Zum Beispiel, wenn Hochgeschwindigkeitsgeräte nahe beieinander platziert werden, obwohl die Verzögerung reduziert werden kann, Übersprechen und signifikante thermische Effekte können auftreten. Daher, in der Design, Es ist notwendig, verschiedene Faktoren abzuwägen und einen umfassenden Kompromiss zu schließen; nicht nur die Design Anforderungen, aber auch die Design Komplexität. Der Einsatz von Hochgeschwindigkeits- PCB-Design die Kontrollierbarkeit der Design Prozess, und nur kontrollierbare sind zuverlässig.