Tecnología de PCB - Control de PCB de alta velocidad y diseño EMC

DeSafíoS en el diseño de sistemas electrónicos

Con el aumento a gran escala del sistema Diseño Complejidad e integración, Sistema electrónico DiseñoEr are engaged in circuit Diseño Más de 1.00 MHz, Frecuencia de funcionamiento del bus de 50 MHz o más, Algunos incluso superan los 100 MHz. En la actualidad, Alrededor del 50% DiseñoS con una frecuencia de reloj superior a 50 MHz, Casi el 20% DiseñoS con una frecuencia de reloj superior a 120 MHz.

Cuando el sistema funciona a 50 MHz, Habrá problemas de efecto de línea de transmisión e integridad de la señal. Cuando el reloj del sistema alcanza 120 MHz, unless Diseño de circuitos de alta velocidad El conocimiento se utiliza, Placa de circuito impresos DiseñoLa educación basada en métodos tradicionales no funciona. Por consiguiente,, Circuito de alta velocidad Diseño La tecnología se ha convertido en Diseño Métodos para sistemas electrónicos DiseñoERS debe adoptar. Controlabilidad Diseño Sólo mediante el uso de Diseño Tecnología de circuitos de alta velocidad Diseñoers.

Qué es un circuito de alta velocidad

Se considera generalmente que los circuitos lógicos digitales se denominan circuitos de alta velocidad si su frecuencia es de 45 MHz a 50 MHz o superior y si los circuitos que funcionan por encima de esa frecuencia ya ocupan una parte determinada de todo el sistema electrónico (por ejemplo, 1 / 3).

De hecho, la frecuencia armónica del borde de la señal es mayor que la frecuencia de la propia señal. Los bordes ascendentes y descendentes de la señal (o salto de señal) conducen a resultados inesperados en la transmisión de la señal. Por lo tanto, se considera generalmente que si el retardo de propagación de la línea es superior a 1 / 2 del tiempo de subida del extremo de conducción de la señal digital, la señal se considera una señal de alta velocidad y produce un efecto de línea de transmisión.

La transmisión de la señal se produce en un momento en que el Estado de la señal cambia, como un tiempo de subida o caída. La señal pasa por un período de tiempo fijo desde el extremo de conducción hasta el extremo de recepción. Si el tiempo de transmisión es inferior a 1 / 2 del tiempo de subida o caída, la señal reflejada del receptor llegará al lado del conductor antes de que la señal cambie de Estado. En su lugar, la señal reflejada llegará al extremo de accionamiento después de que la señal cambie de Estado. Si la señal reflejada es fuerte, la forma de onda superpuesta puede cambiar el Estado lógico.

Determinación de la señal de alta velocidad

¿Definimos los requisitos previos para el efecto de la línea de transmisión, pero cómo sabemos si el retraso de la línea es mayor que 1 / 2 del tiempo de subida de la señal en el lado del conductor? En general, los valores típicos del tiempo de subida de la señal se pueden dar en el Manual del equipo, y el tiempo de propagación de la señal se determina por la longitud real del cableado en el diseño del Placa de circuito impreso. La siguiente figura muestra la correspondencia entre el tiempo de subida de la señal y la longitud permitida del cableado (retraso).

Retraso por pulgada Placa de circuito impreso Es 0.167 NS. Sin embargo,, Si hay muchos agujeros, Muchos pines de dispositivo, Y muchas restricciones a la configuración del cable de red, El retraso aumentará. Normalmente, El tiempo de subida de la señal de los dispositivos lógicos de alta velocidad es de aproximadamente 0.2NS. Si hay un chip Gaas en el tablero, Longitud máxima de cableado 7.62 mm.

Dejar tr como el tiempo de subida de la señal y TPD como el retardo de propagación de la línea de señal. Si tr‰¥4tpd, la señal cae en una zona segura. Si es 2tpd, la señal cae en una región de incertidumbre. Si TR - 2tpd, la señal pertenece al área de problema. Para las señales que caen en áreas inciertas y problemáticas, se debe utilizar un método de cableado de alta velocidad.

Qué es una línea de transmisión

Marcas enPlaca de circuito impreso Boardcan be equivalent to the series and parallel capacitance, La estructura de resistencia e Inductancia se muestra en la siguiente figura. El valor típico de la resistencia de la serie es 0.25 - 0.55 ohmios/Pie. Debido a la capa aislante, La resistencia paralela suele ser muy alta. Después de añadir resistencia parasitaria, Valores reales de Capacitancia e Inductancia Placa de circuito impreso Cableado, La impedancia final en el cableado se llama impedancia característica ZO. Mayor diámetro del alambre, Más cerca del poder/Tierra, O la constante dieléctrica de la capa aislante es mayor, Menor impedancia característica. Si la impedancia entre la línea de transmisión y el receptor no coincide, El estado final estable de la señal de corriente de salida y la señal será diferente, Esto hace que la señal se refleje en el receptor, La señal reflejada se transmitirá de vuelta a la terminal de transmisión de la señal y se reflejará de nuevo. Cuando la energía disminuye, La amplitud de la señal reflejada disminuirá hasta que el voltaje y la corriente de la señal se estabilicen. Este efecto se llama oscilación., La oscilación de la señal se puede ver generalmente en el borde ascendente y descendente de la señal.

Efecto de la línea de transmisión

Sobre la base del modelo de línea de transmisión definido anteriormente, en resumen, la línea de transmisión tendrá los siguientes efectos en todo el diseño del circuito.

Señal reflejada

Retraso y error de tiempo

Error de conmutación repetido sobre el umbral lógico

Exceso / Subducción

Ruido inducido (o conversación cruzada)

Radiación de interferencia electromagnética

5.1 señales reflejadas

Si la trayectoria no se termina correctamente (coincidencia de terminales), el pulso de señal del lado de conducción se refleja en el lado de recepción, lo que resulta en un efecto inesperado y distorsiona el contorno de la señal. Cuando la distorsión es muy grave, puede conducir a errores y fallos de diseño. Al mismo tiempo, la sensibilidad de la señal distorsionada al ruido aumenta, lo que puede conducir al fracaso del diseño. Si no se tiene plenamente en cuenta la situación anterior, el IME aumentará considerablemente, lo que no sólo afectará a los resultados de su propio diseño, sino que también dará lugar a fallos en todo el sistema.

La razón principal de la señal reflejada es que la trayectoria es demasiado larga; Líneas de transmisión que no terminan por emparejamiento, exceso de Capacitancia o Inductancia y desajuste de impedancia.

5.2 retraso y error de tiempo

El retraso de la señal y el error de tiempo se muestran como: cuando la señal cambia entre el umbral alto y el umbral bajo del nivel lógico, la señal no salta durante un período de tiempo. El retraso excesivo de la señal puede dar lugar a errores de tiempo y confusión de las funciones del dispositivo.

A menudo surgen problemas cuando hay múltiples receptores. El diseñador de circuitos debe determinar el retraso en el peor de los casos para asegurar la corrección del diseño. Causa del retraso de la señal: sobrecarga del conductor, cableado demasiado largo.

5.3 error al cruzar el umbral lógico varias veces

Durante la conversión, la señal puede cruzar el umbral del nivel lógico varias veces, lo que resulta en este tipo de error. El error de múltiples pasos sobre el umbral lógico es una form a especial de oscilación de la señal, es decir, la oscilación de la señal ocurre cerca del umbral lógico, y múltiples pasos sobre el umbral lógico causarán disfunción lógica. Causas de la señal reflejada: trazas largas, líneas de transmisión no terminadas, Capacitancia o Inductancia excesiva y desajuste de impedancia.

5.4 supraharmonic undertone

Hay dos razones para la Sobretensión y la infratensión: la trayectoria es demasiado larga o la señal cambia demasiado rápido. Aunque la mayoría de los receptores de componentes están protegidos por diodos de protección de entrada, a veces estos niveles de Sobretensión superarán con creces el rango de tensión de alimentación del componente y dañarán el componente.

5.5 comentarios cruzados

La conversación cruzada se muestra cuando la señal pasa a través de la línea de señal, la señal de correlación se sentirá en la línea de señal adyacente al Placa de circuito impreso. Lo llamamos crosstalk.

Cuanto más cerca está la línea de señal del suelo, mayor es el espaciamiento de la línea, menor es la señal de conversación cruzada generada. Las señales asincrónicas y las señales de reloj son más propensas a la conversación cruzada. Por lo tanto, el método de conversación cruzada es eliminar la señal de conversación cruzada o bloquear la señal de interferencia grave.

5.6 radiación electromagnética

EMI (interferencia electromagnética) significa interferencia electromagnética. Los problemas incluyen la radiación electromagnética excesiva y la sensibilidad a la radiación electromagnética. Cuando el sistema digital está encendido, el IME irradia ondas electromagnéticas al entorno, lo que interfiere con el funcionamiento normal de los equipos electrónicos en el entorno. La razón principal es que la frecuencia de funcionamiento del circuito es demasiado alta y el diseño no es razonable. La simulación del IME tiene herramientas de software, pero el simulador del IME es muy caro, y es difícil establecer los parámetros de simulación y las condiciones de contorno, lo que afectará directamente a la precisión y practicidad de los resultados de la simulación. El método más común es utilizar varias reglas de diseño para controlar el EMI en todos los aspectos del diseño, por lo que implementar la conducción y el control de reglas en todos los aspectos del diseño.

Métodos para evitar el efecto de la línea de transmisión

En vista de los efectos de los problemas de la línea de transmisión mencionados anteriormente, discutimos los métodos para controlar estos efectos de los siguientes aspectos.

6.1 controlar estrictamente la longitud de los cables de red clave

Si hay un borde de Transición de alta velocidad Diseño, Par de líneas de transmisión Placa de circuito impreso Debe tenerse en cuenta. En la actualidad, los chips de CI rápidos de uso común con una frecuencia de reloj muy alta tienen tales problemas.. Hay algunos principios básicos que pueden resolver este problema: si se utilizan circuitos CMOS o TTL Diseño, Frecuencia de funcionamiento inferior a 10 MHz, La longitud del cableado no debe ser superior a 7 pulgadas. La longitud del cableado no debe ser superior a 1.5 pulgadas a 50 MHz. Si la frecuencia de funcionamiento es igual o superior a 75 MHz, La longitud del cableado debe ser de 1 pulgada. La longitud máxima de cableado del chip Gaas debe ser 0.3 pulgadas. Si se supera esta norma, Habrá problemas con las líneas de transmisión.

6.2 planificación racional de la topología de cableado

Otra forma de resolver el efecto de la línea de transmisión es elegir la ruta de enrutamiento correcta y la topología terminal. La topología de enrutamiento se refiere a la secuencia de enrutamiento y la estructura de enrutamiento de los cables de red. Cuando se utiliza un dispositivo lógico de alta velocidad, la señal con un borde de cambio rápido se distorsiona por el rastro de rama en el rastro principal de la señal, a menos que la longitud de la rama del rastro se mantenga corta. En circunstancias normales, el cableado de Placa de circuito impreso utiliza dos topologías básicas, a saber, el cableado de cadena de crisantemo y la distribución de estrellas.

Para el cableado de la cadena Daisy, el cableado comienza en el lado del conductor y llega a cada extremo receptor a su vez. Si la resistencia de la serie se utiliza para cambiar las características de la señal, la posición de la resistencia de la serie debe estar cerca del extremo de accionamiento. En el aspecto de la interferencia armónica de alto orden del cableado de control, el cableado de la cadena Daisy tiene el mejor efecto. Sin embargo, este método de cableado tiene la tasa de distribución más baja y no es fácil de distribuir al 100%. En el diseño real, hacemos que la longitud de la rama en el cableado de la cadena de crisantemo sea lo más corta posible. El valor de la longitud de Seguridad debe ser: retardo de corte corto < = trt * 0.1.

Por ejemplo, la longitud de la rama en un circuito ttl de alta velocidad debe ser inferior a 1,5 pulgadas. Esta topología ocupa menos espacio de cableado y puede ser terminada por una sola resistencia. Sin embargo, esta estructura de cableado hace que la recepción de señales en diferentes terminales receptoras de señales sea asíncrona.

La topología estelar puede evitar eficazmente el problema asincrónico de la señal del reloj, pero es muy difícil completar manualmente el cableado en Placa de circuito impreso de alta densidad. El uso de routers automáticos es la mejor manera de completar el cableado Estelar. Las resistencias de terminación son necesarias en cada rama. La resistencia de la resistencia terminal debe coincidir con la impedancia característica de la conexión. Esto se puede calcular manualmente o a través de la herramienta CAD para calcular el valor de la impedancia característica y el valor de la resistencia de emparejamiento terminal.

En los dos ejemplos anteriores, se utilizan resistencias terminales simples. De hecho, se pueden seleccionar terminales de emparejamiento más complejos. La primera opción es un terminal RC Match. RC matching terminal puede reducir el consumo de energía, pero sólo se puede utilizar cuando la señal es relativamente estable. Este método es el más adecuado para emparejar la señal de la línea de reloj. La desventaja es que la Capacitancia en el terminal RC Match puede afectar la forma y la velocidad de propagación de la señal.

Los terminales de emparejamiento de resistencia en serie no generan energía adicional, sino que ralentizan la transmisión de la señal. Este método se utiliza en el circuito de conducción de autobuses, donde el efecto de retardo de tiempo es muy pequeño. La ventaja de los terminales de emparejamiento de resistencia en serie es que puede reducir el número de dispositivos a bordo y la densidad de cableado.

El último método es separar los terminales coincidentes. Por lo tanto, los componentes coincidentes deben colocarse cerca del receptor. La ventaja es que no baja la señal y evita el ruido. Se utiliza generalmente para señales de entrada ttl (Act, hct, Fast).

Además, debe tenerse en cuenta el tipo de embalaje y el tipo de instalación de la resistencia de emparejamiento terminal. En general, la Inductancia de las resistencias montadas en la superficie SMD es menor que la de los componentes a través del agujero, por lo que los componentes de embalaje SMD son preferidos. Si selecciona resistencias de serie normales, también hay dos opciones de instalación: vertical y horizontal.

En el modo de montaje vertical, uno de los pines de montaje de la resistencia es muy corto, lo que reduce la resistencia térmica entre la resistencia y el tablero de circuitos para que el calor de la resistencia pueda disiparse más fácilmente en el aire. Pero una instalación vertical más larga aumentará la Inductancia de la resistencia. Debido a la instalación más baja, la instalación horizontal tiene una Inductancia más baja. Sin embargo, la resistencia al sobrecalentamiento se desplazará. En el peor de los casos, la resistencia se convertirá en un circuito abierto, lo que dará lugar a un fallo de coincidencia de terminales de trazas de Placa de circuito impreso y se convertirá en un factor potencial de fallo.

6.3 métodos de supresión de las interferencias electromagnéticas

A good solution to the signal integrity problem will improve the electromagnetic compatibility (EMC) of the Placa de circuito impreso Board. Una de las cosas más importantes es asegurar que Placa de circuito impreso El circuito está bien conectado a tierra.. Es muy eficaz utilizar la capa de señal junto con la capa de puesta a tierra en situaciones complejas. Diseños. Además, Reducir al mínimo la densidad de la señal de la capa exterior de la placa de circuito es también una buena manera de reducir la radiación electromagnética. Este enfoque se puede lograr mediante el uso de técnicas de "construcción" de capas de superficie Diseño Industria manufacturera Placa de circuito impreso. La capa superficial se logra mediante la adición de una combinación de una capa aislante fina y microporos que se utilizan para penetrar estas capas en el proceso ordinario. Placa de circuito impreso. La resistencia y la Capacitancia se pueden incrustar debajo de la capa superficial, Y la densidad de trazas por unidad de área casi se duplicará. Encoger Placa de circuito impreso. Disminución Placa de circuito impreso El área tiene una gran influencia en la topología de la trayectoria, Esto significa que el circuito actual se reduce, Reducción de la longitud de la trayectoria de la rama, Y la radiación electromagnética es aproximadamente proporcional al área del bucle de corriente. Al mismo tiempo, Las características de pequeño tamaño significan que se pueden utilizar dispositivos de embalaje de plomo de alta densidad, Esto a su vez reduce la longitud del cable, Por lo tanto, se reducen los bucles de corriente y se mejoran las características de compatibilidad electromagnética..

6.4 otras tecnologías aplicables

Con el fin de reducir la Sobretensión transitoria de la fuente de alimentación del chip IC, se debe a ñadir un condensador de desacoplamiento al chip IC. Esto puede eliminar eficazmente el efecto de la Burr de la fuente de alimentación y reducir la radiación del Circuito de alimentación a la placa de circuito impreso.

Cuando el condensador de desacoplamiento está conectado directamente al pin de potencia en lugar de a la capa de potencia, el efecto de suavización de Burr es óptimo. Esta es la razón por la que algunos dispositivos tienen condensadores de desacoplamiento, y algunos dispositivos requieren que la distancia entre el condensador de desacoplamiento y el dispositivo sea lo suficientemente pequeña.

Cualquier equipo de alta velocidad y alta potencia debe colocarse lo más cerca posible para reducir la Sobretensión transitoria de la tensión de alimentación.

Si no hay capa de potencia, la conexión de potencia larga formará un bucle entre la señal y el bucle, convirtiéndose en una fuente de radiación y un circuito sensible.

El caso en que un rastro forma un bucle que no pasa por el mismo cable de red u otro rastro se llama un bucle abierto. Si el bucle pasa a través de otros cables del mismo cable de red, se forma un bucle cerrado. En ambos casos, se forman efectos de antena (antena de línea y antena de anillo). La antena genera radiación EMI en el exterior y es un circuito sensible en sí mismo. El circuito cerrado es un problem a que debe tenerse en cuenta, ya que produce una radiación aproximadamente proporcional al área del circuito cerrado.

Observaciones finales

High-speed Diseño de circuitos Es muy complicado. Diseño Proceso. ZUKEN's high-speed circuit routing algorithm (Route Editor) and EMC/EMI analysis software (INCASES, Hot-Stage) are used to analyze and find Problema. El método descrito en este artículo se centra en la solución de estos circuitos de alta velocidad Diseño problems. Además, Hay varios factores que deben tenerse en cuenta cuando: DiseñoCircuito de alta velocidad ing, Estos factores a veces son opuestos. Por ejemplo:, Cuando los dispositivos de alta velocidad se colocan cerca unos de otros, Aunque el retraso puede reducirse, Posible conversación cruzada y efectos térmicos significativos. Por consiguiente,, En Diseño, Hay que sopesar todos los factores y llegar a un compromiso general; No sólo satisfecho Diseño Requisitos, Y menos Diseño Complejidad. Uso de alta velocidad Diseño de Placa de circuito impreso El método consiste en Diseño Proceso, Sólo lo controlable es confiable.