Leiterplattentechnisch - Die Bedeutung und Zukunftsaussichten des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs

Was ist High Speed PCB Design? High-Speed-Design bezieht sich insbesondere auf Systeme, die digitale Hochgeschwindigkeitssignale zur Datenübertragung zwischen Komponenten verwenden. Die Trennlinie zwischen digitalen Hochgeschwindigkeitsdesigns und einfachen Boards, die langsamere digitale Protokolle verwenden, ist verschwommen. Die allgemeine Metrik, die verwendet wird, um ein bestimmtes System als "hohe Geschwindigkeit" zu charakterisieren, ist die Kantenrate (oder Anstiegszeit) der im System verwendeten digitalen Signale. Die meisten digitalen Designs verwenden sowohl High Speed (schnelle Kantenrate) als auch Low Speed (langsame Kantenrate) digitale Protokolle. Im heutigen Zeitalter des Embedded Computing und des Internets der Dinge verfügen die meisten Highspeed-Boards über ein HF-Frontend für drahtlose Kommunikation und Netzwerke.

Planung Ihrer High-Speed PCB Stacks und Impedances

Der Leiterplattenstack, den Sie für Ihre Hochgeschwindigkeitskarte erstellen, bestimmt die Impedanz und wie einfach sie zu routen ist. Alle Leiterplattenstacks enthalten einen Satz von Schichten, die für Hochgeschwindigkeitssignal-, Leistungs- und Masseebenen bestimmt sind. Hier sind einige Punkte zu beachten, wenn Sie Ebenen in einem Stapel zuweisen:

Leiterplattengröße und Anzahl der Netze: Wie groß ist die Leiterplatte und wie viele Netze müssen Sie im Leiterplattenlayout routen. Physisch größere Leiterplatten haben möglicherweise genug Platz, um Netze im PCB-Layout zu routen, ohne mehrere Signalschichten zu verwenden.

Routingdichte: Bei einer hohen Anzahl von Netzen und einer auf eine kleine Fläche begrenzten Brettgröße kann es sein, dass nicht viel Platz für das Routing um die Oberflächenschichten ist. Infolgedessen benötigen Sie mehr interne Signalschichten, wenn die Ausrichtungen näher beieinander liegen. Die Verwendung einer kleineren Platinengröße kann eine höhere Verdrahtungsdichte erzwingen.

Anzahl der Schnittstellen: Manchmal ist es eine gute Strategie, nur ein oder zwei Schnittstellen pro Schicht zu verdrahten, abhängig von der Busbreite (Serie vs. Parallel) und der Leiterplattengröße. Wenn alle Signale für digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen in einer Schicht gehalten werden, wird sichergestellt, dass alle Signale eine konstante Impedanz und Neigung sehen.

Low-Speed- und HF-Signale: Gibt es irgendwelche Low-Speed-Digital- oder HF-Signale in Ihrem digitalen Design? Wenn ja, können diese auf der Oberflächenschicht Platz einnehmen, der für Hochgeschwindigkeitsbusse oder Komponenten verwendet werden könnte, und können zusätzliche interne Schichten erfordern.

Leistungsintegrität: Einer der Eckpfeiler der Leistungsintegrität ist die Verwendung großer Leistungsebenen und Masseschichten für jede der für große integrierte Schaltungen erforderlichen Spannungsebenen. Diese sollten auf benachbarten Schichten platziert werden, um sicherzustellen, dass eine hohe planare Kapazität vorhanden ist, um die stabilisierte Leistung von den Entkopplungskondensatoren zu unterstützen.

Leitlinien für Routing Design für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten

1. Grundlagen und Strategien der Verkabelung

Routing-Methoden: Dazu gehören einseitiges, doppelseitiges und mehrschichtiges Routing sowie automatisches und interaktives Routing. Interaktive Verdrahtung ist für strenge Anforderungen der Linie geeignet, automatische Verdrahtung kann vor den Schlüsselteilen behandelt werden, um parallele Leitungen zu vermeiden, die durch Reflexionsstörungen verursacht werden.

Optimierung der Verdrahtung: Die Effizienz der automatischen Verdrahtung hängt von einem guten Layout und voreingestellten Regeln ab, wie der Anzahl der Drahtbiegungen, der Anzahl der Durchkontaktierungen, etc. Zunächst führen Sie schnelle und kurze Verkabelung der Verbindungsleitung durch und optimieren Sie dann den Pfad global.

2. Energie- und Erdverarbeitung

Entkopplungskondensator: Fügen Sie zwischen Strom und Masse hinzu, um Rauschen zu reduzieren.

Linienbreitendesign: Erdungsleitung-Stromleitung-Signalleitung, Signalleitungsbreite wird empfohlen, 0.2-0.3mm, Stromleitung 1.2-2.5mm zu sein.

Große Kupferschicht: Verwenden Sie den ungenutzten Raum als Erdungsleitung oder trennen Sie die Energie- und Masseschichten in der Mehrschichtplatte.

3. Gemeinsame Bodenbehandlung für digitale und analoge Schaltungen

Isolierung: Trennen Sie die interne Masse von digitalen und analogen Schaltungen, nur ein wenig kurzgeschlossen an der Schnittstelle außerhalb der Platine, um Interferenzen zu reduzieren.

Layout: Hochfrequenzsignale weg von empfindlichen analogen Komponenten, um den kürzesten Signalweg zu gewährleisten, und getrennte Ein- und Ausgangsleitungen.

4. Signalleitungen und Lagenauswahl

Stromverdrahtung (Masseschicht): Wenn die Ressourcen der Signalschicht knapp sind, sollten Sie die Verdrahtung in der Strom- oder Masseschicht in Betracht ziehen, wobei die Integrität der Masseschicht Vorrang eingeräumt wird.

5. Großflächiger Leiteranschluss

Wärmeisolierung: Bauteilbeine und großflächige Kupferoberflächenverbindung mit kreuzförmigen Pads zur Reduzierung des Lötgefahrs von Fehllöten.

6. Entwurf von Netzen und Netzen

Gitterdichte: basiert auf 0,1 Zoll oder seinen ganzzahligen Vielfachen der Einstellungen, balanciert die Datenmenge und den Verdrahtungspfad aus, um ineffektiven Pfad zu vermeiden.

7. Design Rule Check (DRK)

Umfassende Überprüfung: Stellen Sie sicher, dass Drahtabstand, Leistungs-/Massebreite, kritische Signalverarbeitung, unabhängige Masse, Vermeidung von Kurzschlüssen usw. Anforderungen erfüllen.

8.Besondere Erwägungen

Hochgeschwindigkeitsknoten: Die Taktverdrahtung muss Verzögerungen berücksichtigen und Terminierungsgeräte verwenden, um SI zu optimieren.

Technologieauswahl: Antriebstechnik sollte den Aufgabenanforderungen entsprechen, Anstiegszeit und Geräuschtoleranz berücksichtigen.

Vorverdrahtungssimulation: Bestimmen Sie den Parameterbereich, und die Simulationsergebnisse leiten die Verdrahtungsbeschränkungen.

Nachverdrahtungssimulation: Überprüfen Sie SI- und Timing-Probleme, nehmen Sie rechtzeitig Anpassungen vor.

Modellauswahl und zukünftige Trends: Betonen Sie die Modellgenauigkeit, verfolgen Sie automatisierte Tools zur Vereinfachung des SI-Designs und konzentrieren Sie sich auf neue Technologien.

Das Design der Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Verdrahtung erfordert eine sorgfältige Planung, von der Leistungs- und Erdungsverarbeitung über die Trennung digitaler und analoger Schaltungen bis hin zur Wahl der Verdrahtungsstrategie. Jeder Schritt muss strengen Regeln und CAD-Tools folgen, die helfen.

Durch kontinuierliche Simulationsprüfung und Regelprüfung wird sichergestellt, dass der endgültige Entwurf nicht nur die elektrischen Leistungsanforderungen erfüllt, sondern auch eine gute Herstellbarkeit aufweist.

Ausrichtungsimedanz ist ein wichtiges Element des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs, mit der zunehmenden Komplexität elektronischer Systeme nehmen Impedanzgefahrungen auch zu, Ingenieure müssen eine gute Arbeit leisten, um die Wettbewerbsfähigkeit des Produktimpedanzdesigns sicherzustellen, und eine der Impedanzquellen ist die Ausrichtung, sprechen darüber, wie man eine gute Arbeit im Ausrichtungsimedanzdesign macht, seine Auswirkungen reduziert.

Im Allgemeinen kann die gemeinsame Ausrichtungsimedanz in einseitige 50ohm und differentielle 100ohm unterteilt werden, natürlich erscheinen auch mehr und mehr Impedanztypen, wie 27ohm, 33ohm, 75ohm, 120ohm (diff), etc., aber derzeit hauptsächlich 50ohm und 100ohm.

Mehrere Einzeldrahtimpedanzen und Differenzimpedanzen können gleichzeitig im gleichen Design vorhanden sein, was die Verwendung unterschiedlicher Ausrichtungsbreiten erfordert.

Hochgeschwindigkeits-PCB-Design spielt eine entscheidende Rolle in modernen elektronischen Geräten, mit dem Kernziel, die Signalübertragung zu optimieren und die Signalintegrität sicherzustellen. Die zunehmende Komplexität und Integration elektronischer Systeme macht das Impedanzdesign immer wichtiger. Ingenieure müssen sich auf die Steuerung der Ausrichtimpedanz konzentrieren, um Signalverzögerungen, Verzerrungen und Interferenzen zu minimieren, um Produktleistung und Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten.

Die elektrische Leistung der Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte kann effektiv durch genaue PCB-Stapelung, Energie- und Bodenbehandlung, Signalleitungsleitlayout und strenge Entwurfsregeln-Prüfung verbessert werden. Darüber hinaus spielen Simulationsprüfung und Modellauswahl eine Schlüsselrolle im Designprozess, um sicherzustellen, dass das endgültige Design den Fertigungsanforderungen entspricht. Mit der Entwicklung von Automatisierungswerkzeugen und dem Aufkommen neuer Technologien wird sich das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design in Richtung höherer Präzision und Effizienz bewegen und den Weg für intelligente und leistungsstarke elektronische Produkte ebnen.