Technologie PCB - Haute vitesse PCB contrôlabilité et conception de compatibilité électromagnétique

(1) les défis de la conception des systèmes électroniques

Avec l'augmentation massive de la complexité et de l'intégration de la conception du système, les concepteurs de systèmes électroniques sont engagés dans la conception de circuits au - dessus de 100 MHz et la fréquence de fonctionnement du bus a atteint ou dépassé 50 MHz, certains dépassant même 100 MHz. Actuellement, environ 50% des modèles ont des fréquences d'horloge supérieures à 50 MHz et près de 20% ont des fréquences d'horloge supérieures à 120 MHz.

Les effets de ligne de transmission et les problèmes d'intégrité du signal se posent lorsque le système fonctionne à 50 MHz; Lorsque l'horloge du système atteint 120 MHz, les PCB conçus sur la base de méthodes traditionnelles ne fonctionneront pas à moins d'utiliser des connaissances en conception de circuits à grande vitesse. Par conséquent, la technologie de conception de circuits à grande vitesse est devenue une méthode de conception que les concepteurs de systèmes électroniques doivent adopter. La contrôlabilité du processus de conception ne peut être obtenue qu'en utilisant les techniques de conception des concepteurs de circuits à grande vitesse.

(2) Qu'est - ce qu'un circuit à grande vitesse

On considère généralement qu'un circuit logique numérique est dit à grande vitesse si sa fréquence atteint ou dépasse 45 MHz ~ 50 MHz et que les circuits fonctionnant au - dessus de cette fréquence occupent déjà une part (par example 1 / 3) de l'ensemble du système électronique.

En effet, la fréquence harmonique des bords du signal est supérieure à celle du signal lui - même. Ce sont les fronts montants et descendants (ou sauts de signal) du signal qui provoquent des résultats inattendus dans la transmission du signal. Il est donc généralement admis que si le retard de propagation de la ligne est supérieur à 1 / 2 du temps de montée en bout de conduite du signal numérique, un tel signal est considéré comme un signal à grande vitesse et produit un effet de ligne de transmission.

La transmission du signal a lieu à un instant où l'état du signal change, par example à un instant de montée ou de descente. Le signal passe d'une extrémité motrice à une extrémité réceptrice pendant un temps fixe. Si le temps de transmission est inférieur à 1 / 2 du temps de montée ou de descente, le signal réfléchi provenant de la réception arrivera à l'extrémité motrice avant que le signal ne change d'état. Inversement, après que le signal ait changé d'état, le signal réfléchi atteindra l'extrémité motrice. Si le signal réfléchi est fort, la forme d'onde superposée peut changer d'état logique.

(3) Détermination du signal à grande vitesse

Ci - dessus, nous avons défini les conditions préalables à l'apparition de l'effet de ligne de transmission, mais comment savoir si le retard de ligne est supérieur à 1 / 2 du temps de montée du signal à la fin de l'entraînement? Typiquement, une valeur typique du temps de montée du signal peut être donnée dans le manuel de l'appareil, et le temps de propagation du signal est déterminé par la longueur de câblage réelle dans la conception du PCB. La figure suivante montre la correspondance entre le temps de montée du signal et la longueur de câblage autorisée (retard).

La latence par unité de pouce sur le PCB est de 0167ns. Cependant, si de nombreux trous de travers, de nombreuses broches de périphérique et de nombreuses contraintes sont définis sur le câble réseau, la latence augmente. Typiquement, le temps de montée du signal d'un dispositif logique à grande vitesse est de l'ordre de 0,2 ns. S'il y a une puce GaAs sur la carte, la longueur de câblage maximale est de 7,62 mm.

Soit tr le temps de montée du signal et TPD le retard de propagation de la ligne de signal. Si trâ ¥ 4tpd, le signal est dans une zone sécurisée. Si 2tpdâ ¥ trâ ¥ 4tpd, le signal tombe dans la zone d'incertitude. Si trâ2tpd, le signal appartient à la zone à problème. Pour les signaux qui tombent dans des zones incertaines et problématiques, une méthode de câblage à grande vitesse doit être utilisée.

(4) Qu'est - ce qu'une ligne de transmission

Les traces sur la carte PCB peuvent être équivalentes aux structures capacitives, résistives et inductives en série et en parallèle illustrées ci - dessous. La valeur typique de la résistance série est de 0,25 - 0,55 ohm / pied. La résistance de la résistance parallèle est généralement très élevée en raison de la couche isolante. Après avoir ajouté des résistances parasites, des capacités et des inductances au câblage PCB réel, l'impédance finale sur le câblage est appelée impédance caractéristique zo. Plus le diamètre du fil est large, plus il est proche de l'alimentation / de la masse, ou plus la constante diélectrique de la couche isolante est élevée, plus l'impédance caractéristique est faible. Si les impédances de la ligne de transmission et de la borne de réception ne sont pas adaptées, les états stables finaux du signal de courant de sortie et du signal seront différents, ce qui entraînera la réflexion du signal sur la borne de réception, et ce signal réfléchi sera retransmis à la borne de transmission du signal et réfléchi à nouveau. À mesure que l'énergie diminue, l'amplitude du signal réfléchi diminue jusqu'à ce que la tension et le courant du signal se stabilisent. Cet effet est appelé Oscillation et l'oscillation du signal est généralement visible sur les fronts montant et descendant du signal.

(5) effet de ligne de transmission

Sur la base du modèle de ligne de transmission défini ci - dessus, en résumé, la ligne de transmission aura les effets suivants sur la conception globale du circuit.

Signaux réfléchis

Retards et erreurs de temps

⢠dépassement répété du seuil de niveau logique erreur erreur de commutation erreur

⢠over / undertone

⢠bruit induit (ou diaphonie)

⢠EMI rayonnement

5.1 signaux réfléchis

Si la trace ne se termine pas correctement (correspondance des bornes), les impulsions de signal provenant de l'extrémité motrice sont réfléchies à la réception, ce qui entraîne des effets inattendus et déforme le profil du signal. Lorsque la distorsion est très grave, elle peut entraîner diverses erreurs et entraîner l'échec de la conception. Dans le même temps, la sensibilité du signal déformé au bruit augmente, ce qui peut également entraîner un échec de conception. Si ce qui précède n'est pas suffisamment pris en compte, l'EMI augmentera considérablement, ce qui affectera non seulement les résultats de sa propre conception, mais entraînera également des défaillances dans l'ensemble du système.

Les principales causes du signal réfléchi sont: la trajectoire est trop longue; Une ligne de transmission qui ne se termine pas par une adaptation, une capacité ou une inductance trop importante et une désadaptation d'impédance.

5.2 retards et erreurs de timing

Le retard du signal et l'erreur de temporisation se manifestent par: le signal ne saute pas pendant un certain temps lorsqu'il varie entre un seuil haut et un seuil bas du niveau logique. Un retard excessif du signal peut entraîner des erreurs de synchronisation et des fonctions confuses de l'appareil.

Des problèmes surviennent généralement lorsque plusieurs récepteurs sont présents. Les concepteurs de circuits doivent déterminer le retard dans le pire des cas pour s'assurer que la conception est correcte. Causes du retard du signal: le conducteur est surchargé, le câblage est trop long.

5.3 plusieurs fois dépassé le seuil de niveau logique erreur

Au cours de la conversion, le signal peut franchir plusieurs fois le seuil de niveau logique, ce qui entraîne ce type d'erreur. L'erreur de franchissement multiple d'un seuil de niveau logique est une forme particulière d'oscillation du signal, c'est - à - dire que l'oscillation du signal se produit au voisinage du seuil de niveau logique et que le franchissement multiple d'un niveau logique entraîne une perturbation du fonctionnement logique. Causes des signaux réfléchis: longue trace, ligne de transmission non terminée, capacité ou inductance excessive et impédance inadaptée.

5.4 overtune et sous - tonalité

Les dépassements et les descentes proviennent de deux raisons: la trajectoire est trop longue ou le signal change trop rapidement. Bien que la plupart des extrémités de réception des éléments soient protégées par des diodes de protection d'entrée, il arrive parfois que ces niveaux de dépassement dépassent largement la plage de tension d'alimentation des éléments et endommagent les éléments.

5.5 Le son de la phase

La diaphonie se manifeste par le fait que lorsqu'un signal traverse une ligne de signal, le signal associé sera induit sur la ligne de signal qui lui est adjacente sur le PCB. On appelle ça le son de phase.

Plus les lignes de signal sont proches du sol, plus l'espacement des lignes est grand et moins le signal diaphonique produit est grand. Les signaux asynchrones et les signaux d'horloge sont plus enclins à la diaphonie. La méthode de diaphonie consiste donc à supprimer le signal diaphonique ou à masquer le signal fortement perturbé.

5.6 rayonnement électromagnétique

Interférence électromagnétique signifie interférence électromagnétique. Les problèmes causés comprennent un rayonnement électromagnétique excessif et une susceptibilité au rayonnement électromagnétique. L'EMI se manifeste par le fait qu'un système numérique, lorsqu'il est alimenté, émet des ondes électromagnétiques dans son environnement, perturbant ainsi le bon fonctionnement de l'électronique dans son environnement. La principale raison en est que la fréquence de fonctionnement du circuit est trop élevée et la disposition déraisonnable. Il existe des outils logiciels pour la simulation EMI, mais les simulateurs EMI sont très coûteux et il est difficile de définir les paramètres de simulation et les conditions limites, ce qui aura un impact direct sur la précision et l'utilité des résultats de simulation. La méthode la plus courante consiste à appliquer diverses règles de conception pour contrôler l'EMI dans tous les aspects de la conception, ce qui permet une conduite et un contrôle des règles dans tous les aspects de la conception.

(6) Moyens d'éviter l'influence des lignes de transmission

En réponse aux impacts induits par les problèmes de lignes de transmission mentionnés ci - dessus, nous abordons les moyens de contrôler ces impacts à partir des aspects suivants.

6.1 contrôle strict de la longueur des câbles réseau critiques

S'il existe des bords de transition à haute vitesse dans la conception, la question de l'impact de la ligne de transmission sur le PCB doit être prise en compte. Les puces de circuits intégrés rapides à très haute fréquence d'horloge couramment utilisées à l'heure actuelle présentent un tel problème. Il existe quelques principes de base qui peuvent résoudre ce problème: Si vous utilisez un circuit CMOS ou TTL pour la conception et que la fréquence de fonctionnement est inférieure à 10 MHz, la longueur de câblage ne doit pas dépasser 7 pouces. À 50 MHz, la longueur de câblage ne doit pas dépasser 1,5 pouce. Si la fréquence de fonctionnement atteint ou dépasse 75 MHz, la longueur de câblage doit être de 1 pouce. La longueur de câblage maximale de la puce GaAs doit être de 0,3 pouce. Si cette norme est dépassée, un problème de ligne de transmission se pose.

6.2 topologie de câblage de planification rationnelle

Une autre façon de résoudre l'effet de ligne de transmission est de choisir le bon chemin de câblage et la topologie de terminal. La topologie du câblage fait référence à l'ordre de câblage et à la structure de câblage des câbles réseau. Lors de l'utilisation d'un dispositif logique à grande vitesse, à moins que la longueur de la branche de trace ne reste courte, le signal à bords à variation rapide sera déformé par la trace de branche sur la piste de tronc de signal. Dans des circonstances normales, le câblage PCB utilise deux topologies de base, à savoir le câblage en chrysanthème et la distribution en étoile.

Pour le câblage en chrysanthème, le câblage commence à l'extrémité d'entraînement et arrive successivement à chaque extrémité de réception. Si vous utilisez une résistance série pour modifier les caractéristiques du signal, la résistance série doit être placée près de l'extrémité de conduite. Le câblage en chaînette chrysanthème fonctionne le mieux lorsqu'il s'agit de contrôler les interférences harmoniques supérieures du câblage. Cependant, cette méthode de câblage a le taux de distribution le plus bas et n'est pas facilement distribuée à 100%. Dans la conception réelle, nous rendons la longueur de la branche dans le câblage en chrysanthème aussi courte que possible. La valeur de la longueur de sécurité doit être: Stub Delay < = TRT * 0,1.

Par exemple, la longueur des extrémités de dérivation dans un circuit TTL haute vitesse devrait être inférieure à 1,5 pouce. Cette topologie prend moins de place pour le câblage et peut être terminée par une seule résistance. Cependant, cette structure de câblage est telle que la réception des signaux aux différentes extrémités de réception des signaux est asynchrone.

La topologie en étoile peut efficacement éviter les problèmes asynchrones avec les signaux d'horloge, mais il est très difficile de terminer le câblage manuellement sur une carte PCB haute densité. L'utilisation d'un routeur automatique est la meilleure façon de terminer le câblage en étoile. Des résistances de terminaison sont nécessaires sur chaque branche. La résistance de la résistance terminale doit correspondre à l'impédance caractéristique de la connexion. Cela peut être calculé manuellement ou via un outil de Cao pour les valeurs d'impédance caractéristique et les valeurs de résistance d'adaptation aux bornes.

Dans les deux exemples ci - dessus, on utilise une simple résistance terminale. En pratique, il est possible de choisir un terminal de correspondance plus complexe. La première option est un terminal RC correspondant. Les bornes d'adaptation RC peuvent réduire la consommation d'énergie, mais ne peuvent être utilisées que si le signal est relativement stable. Cette méthode est la mieux adaptée pour adapter le signal de ligne d'horloge. L'inconvénient est que la capacité dans les bornes d'adaptation RC peut affecter la forme et la vitesse de propagation du signal.

La mise en série de bornes d'adaptation de résistance ne crée pas de consommation d'énergie supplémentaire, mais ralentit la transmission du signal. Cette méthode est utilisée dans les circuits de pilotage de bus où les retards de temps ont peu d'impact. L'avantage d'avoir des bornes d'adaptation de résistance en série est qu'il est possible de réduire le nombre d'appareils embarqués et la densité de câblage.

La dernière méthode consiste à séparer les terminaux correspondants. De cette manière, la pièce correspondante doit être placée à proximité de l'extrémité de réception. L'avantage est qu'il ne dégrade pas le signal et évite bien le bruit. Il est généralement utilisé pour les signaux d'entrée TTL (Act, hct, FAST).

En outre, le type de boîtier et le type de montage de la résistance d'adaptation de borne doivent également être pris en compte. En général, les résistances montées en surface SMD ont une inductance plus faible que les éléments traversants, de sorte que les éléments encapsulés SMD deviennent préférés. Si vous choisissez une résistance en ligne normale, il existe également deux options de montage: verticale et horizontale.

En mode de montage vertical, l'une des broches de montage de la résistance est très courte, ce qui peut réduire la résistance thermique entre la résistance et la carte, ce qui facilite la dissipation de la chaleur de la résistance dans l'air. Mais une installation verticale plus longue augmente l'inductance de la résistance. L'installation horizontale a une inductance inférieure en raison de l'installation inférieure. Cependant, la résistance à la surchauffe peut dériver. Dans le pire des cas, la résistance deviendra un circuit ouvert, ce qui entraînera l'échec de l'appariement du terminal de trace PCB et deviendra un facteur de défaillance potentiel.

6.3 méthodes de suppression des perturbations électromagnétiques

Une bonne solution au problème de l'intégrité du signal améliorera la compatibilité électromagnétique (CEM) de la carte PCB. L'un des points les plus importants est de garantir une bonne mise à la terre de la carte PCB. Pour les conceptions complexes, l'utilisation d'une couche de signal avec une couche de terre est très efficace. En outre, minimiser la densité du signal dans la couche la plus externe de la carte est également un bon moyen de réduire le rayonnement électromagnétique. Cette approche peut être mise en œuvre en « construisant » la conception et la fabrication de PCB en utilisant la technologie de « couche de surface ». Les couches de surface sont réalisées en ajoutant une combinaison de couches isolantes minces et de micropores pour pénétrer dans ces couches sur un PCB de procédé commun. La résistance et la capacité peuvent être enterrées sous la couche superficielle et la densité des traces par unité de surface doublera presque. Réduire la taille du PCB. La réduction de la surface du PCB a un impact énorme sur la topologie des traces, ce qui implique une diminution des boucles de courant, une diminution de la longueur des traces de dérivation et un rayonnement électromagnétique approximativement proportionnel à la surface des boucles de courant; Dans le même temps, les caractéristiques de la petite taille signifient que le dispositif peut être encapsulé en utilisant une densité élevée de broches, ce qui réduit la longueur du fil, ce qui réduit les boucles de courant et améliore les caractéristiques de compatibilité électromagnétique.

6.4 autres technologies applicables

Afin de réduire les dépassements instantanés de tension sur l'alimentation de la puce de circuit intégré, un condensateur de découplage doit être ajouté à la puce de circuit intégré. Cela permet d'éliminer efficacement l'impact des bavures sur l'alimentation électrique et de réduire le rayonnement de la boucle d'alimentation sur la carte imprimée.

Le lissage des bavures fonctionne mieux lorsque les condensateurs de découplage sont connectés directement aux broches d'alimentation du circuit intégré plutôt qu'à la couche d'alimentation. C'est pourquoi certaines prises d'appareils ont des condensateurs de découplage, tandis que d'autres exigent que la distance entre la capacité de découplage et l'appareil soit suffisamment faible.

Tout équipement à haute vitesse et à haute puissance doit être assemblé autant que possible pour réduire les dépassements transitoires de la tension d'alimentation.

S'il n'y avait pas de couche d'alimentation, une longue connexion d'alimentation créerait une boucle entre le signal et la boucle, devenant une source de rayonnement et un circuit sensible.

Le cas où une trace forme une boucle qui ne traverse pas le même câble réseau ou une autre trace est appelé boucle ouverte. Si la boucle traverse d'autres fils d'un même câble réseau, elle constitue une boucle fermée. Dans les deux cas, un effet d'antenne (antenne filaire et antenne annulaire) se forme. L'antenne génère un rayonnement EMI à l'extérieur et est elle - même un circuit sensible. La boucle fermée est une question qui doit être prise en compte, car le rayonnement qu'elle produit est approximativement proportionnel à la surface de la boucle fermée.

Mot de fin

La conception de circuits à grande vitesse est un processus de conception très complexe. L'algorithme de routage de circuit à grande vitesse de zuken (route Editor) et le logiciel d'analyse EMC / EMI (incases, Hot Stage) sont utilisés pour analyser et détecter les problèmes. Les méthodes décrites dans cet article visent spécifiquement à résoudre ces problèmes de conception de circuits à grande vitesse. En outre, plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la conception de circuits à grande vitesse, qui sont parfois opposés les uns aux autres. Par example, lorsque des dispositifs à grande vitesse sont placés à proximité les uns des autres, bien que la latence puisse être réduite, des effets thermiques diaphoniques et importants peuvent se produire. Par conséquent, dans la conception, il est nécessaire de peser divers facteurs pour faire un compromis global; Les exigences de conception sont satisfaites tout en réduisant la complexité de la conception. L'utilisation de méthodes de conception de PCB à grande vitesse constitue la contrôlabilité du processus de conception et seules les méthodes contrôlables sont fiables.