Technologie PCB - Quatre aspects à surveiller dans la conception de cartes à grande vitesse

Cet article explique comment les changements dans le processus entraînent des changements dans l'impédance réelle et comment un solveur de champ précis peut être utilisé pour prédire ce phénomène. Même sans changement de processus, d'autres facteurs peuvent entraîner des impédances réelles très différentes. Lors de la conception de cartes de circuit imprimé à grande vitesse, les outils de conception automatisés ne parviennent parfois pas à détecter ce problème non évident mais très important. Cependant, ce problème peut être évité à condition que certaines mesures soient prises à un stade précoce de la conception. Cette technique est appelée « conception défensive ».

Le nombre de Stacks

Une bonne structure empilée est la meilleure précaution pour résoudre la plupart des problèmes d'intégrité du signal et des problèmes de CEM, et c'est le problème le plus mal compris. Voici quelques facteurs en jeu et une bonne façon de résoudre un problème peut aggraver les autres. De nombreux fournisseurs de conception de systèmes suggèrent qu'il devrait y avoir au moins un plan continu dans la carte pour contrôler l'impédance caractéristique et la qualité du signal. Tant que les frais sont abordables, c'est une bonne proposition. Les consultants en CEM recommandent souvent de placer un remplissage au sol ou une couche de terre sur la couche externe pour contrôler le rayonnement électromagnétique et la sensibilité aux perturbations électromagnétiques. C’est aussi une bonne suggestion sous certaines conditions.

Figure 1: analyse des problèmes de signal dans une structure empilée avec un modèle capacitif

Cependant, cette méthode peut être gênante dans certaines conceptions courantes en raison de courants transitoires. Tout d'abord, regardons le cas simple d'un couple Plan d'alimentation / plan de masse: il peut être considéré comme un condensateur. On peut considérer que la couche de puissance et la couche de masse sont les deux plaques du condensateur. Pour obtenir des valeurs de capacité plus importantes, il est nécessaire de rapprocher les deux plaques (distance d) et d'augmenter la constante diélectrique (λ¼ râ¼). Plus la capacité est grande, plus l'impédance est faible, ce qui est exactement ce que nous voulons, car elle supprime le bruit. Quelle que soit la disposition des autres couches, la couche d'alimentation principale et la couche de mise à la terre doivent être adjacentes et situées au milieu de la pile. Si la distance entre la couche d'alimentation et la couche de terre est grande, cela crée une grande boucle de courant et apporte beaucoup de bruit. Pour un panneau de 8 couches, placer la couche d'alimentation d'un côté et la couche de mise à la terre de l'autre peut causer les problèmes suivants:

1. Diaphonie maximale. En raison de l'augmentation de la capacité mutuelle, la diaphonie entre les couches de signal est supérieure à celle des couches elles - mêmes.

2. La plus grande distribution. Le courant circule autour de chaque plan d'alimentation et parallèlement au signal, une grande quantité de courant entrant dans le plan d'alimentation principal et revenant par le plan de masse. Les caractéristiques CEM vont se détériorer en raison de l'augmentation du courant de circulation.

3. Perte de contrôle de l'impédance. Plus le signal est éloigné de la couche de contrôle, plus la précision du contrôle d'impédance est faible en raison des autres conducteurs qui l'entourent.

4. Comme il est facile de provoquer un court - circuit de soudure, il peut augmenter le coût du produit.

Nous devons choisir entre performance et coût, alors comment organiser une carte numérique pour obtenir les meilleures caractéristiques si et EMC?

La distribution de chaque couche du PCB est généralement symétrique. Plus de deux couches de signal ne doivent pas être placées l'une à côté de l'autre; Sinon, le contrôle du si sera largement perdu. Il est préférable de placer les couches de signaux internes symétriquement par paires. À moins que certains signaux ne nécessitent un câblage vers un périphérique SMT, nous devrions minimiser le câblage du signal sur la couche externe.

Figure 2: la première étape d'une bonne solution de conception consiste à concevoir correctement une structure stratifiée

Pour les cartes avec plus de couches, nous pouvons répéter cette méthode de placement plusieurs fois. Des couches supplémentaires de puissance et de mise à la terre peuvent également être ajoutées; Il suffit de s'assurer qu'il n'y a pas de paire de couches de signal entre les deux couches de puissance.

Le câblage des signaux à grande vitesse doit être disposé dans la même paire de couches de signaux; Sauf si ce principe doit être violé en raison de la connexion du dispositif SMT. Toutes les traces du signal doivent avoir un chemin de retour commun (c'est - à - dire un plan de masse). Il y a deux idées et façons de juger quelles deux couches peuvent être considérées comme une paire:

1. Assurez - vous que le signal de retour à distance égale est exactement le même. Cela signifie que le signal doit être câblé symétriquement des deux côtés du plan de masse interne. Ceci présente l'avantage d'un contrôle aisé de l'impédance et du courant de circulation; L'inconvénient est qu'il y a beaucoup de trous dans la couche de terre et qu'il y a des couches inutiles.

2. Deux couches de signal pour le câblage adjacent. L'avantage est qu'il est possible de contrôler les porosités dans la couche de terre au minimum (en utilisant des porosités enterrées); L'inconvénient est que pour certains signaux clés, l'efficacité de cette méthode est réduite.

Dans la deuxième méthode, les connexions de masse pour les signaux de pilotage et de réception doivent de préférence être connectées directement à la couche adjacente à la couche de câblage des signaux. En tant que principe de câblage simple, la largeur de câblage de surface en pouces devrait être inférieure au tiers du temps de montée de l'entraînement en nanosecondes (par exemple, la largeur de câblage d'un TTL à grande vitesse est de 1 pouce).

Si elle est alimentée par plusieurs sources d'énergie, une couche de mise à la terre doit être posée entre les lignes d'alimentation pour les séparer. Un condensateur ne peut pas être formé pour éviter un couplage alternatif entre les sources d'alimentation.

Les mesures ci - dessus sont toutes destinées à réduire la circulation et la diaphonie et à renforcer la capacité de contrôle de l'impédance. Le plan de masse formera également une "boîte de blindage" EMC efficace. La surface inutilisée peut être transformée en une couche de terre en tenant compte de l'impact sur l'impédance caractéristique.

Impédance caractéristique

Une bonne structure d'empilement permet de contrôler efficacement l'impédance et son câblage peut former une structure de ligne de transmission facile à comprendre et prévisible. Un outil de solution de terrain peut très bien gérer ce type de problème et obtenir des résultats assez précis en limitant au minimum le nombre de variables.

Cependant, ce n'est pas nécessairement le cas lorsque trois signaux ou plus sont superposés, pour des raisons subtiles. La valeur de l'impédance cible dépend de la technologie de processus de l'appareil. La technologie CMOS haute vitesse peut généralement atteindre environ 70 angströms; Les appareils TTL à grande vitesse peuvent généralement atteindre environ 80 à 100 îles. La valeur de l'impédance ayant généralement une grande influence sur la tolérance au bruit et la commutation du signal, il faut être très prudent dans le choix de l'impédance; Le Manuel du produit doit fournir des conseils à ce sujet.

Les résultats préliminaires de l'outil de résolution sur site peuvent rencontrer deux types de problèmes. Tout d'abord, il y a la question de la limitation du champ de vision. L'outil de solution de terrain analyse uniquement l'impact des traces à proximité et ne prend pas en compte les traces non parallèles sur les autres couches qui affectent l'impédance. L'outil de résolution sur site ne peut pas connaître les détails avant le câblage, c'est - à - dire lors de l'attribution de la largeur des pistes, mais la méthode d'arrangement par paires décrite ci - dessus peut minimiser ce problème.

Il convient de mentionner l'influence du plan de puissance local. Après le câblage, les cartes externes sont souvent remplies de fils de cuivre mis à la terre, ce qui favorise la suppression de l'EMI et le placage équilibré. Si une telle mesure n'était prise que pour la couche externe, l'influence de la structure d'empilement recommandée ici sur l'impédance caractéristique serait très faible.

L'effet de l'utilisation d'un grand nombre de couches de signaux adjacentes est très important. Certains outils de solutions de terrain ne peuvent pas détecter la présence de feuilles de cuivre, car ils ne peuvent inspecter que la ligne imprimée et la couche entière, de sorte que les résultats de l'analyse d'impédance sont incorrects. Lorsqu'il y a du métal sur les couches adjacentes, c'est comme une couche de terre moins fiable. Si l'impédance est trop faible, le courant instantané peut être important, ce qui est un problème EMI pratique et sensible.

Une autre raison pour laquelle les outils d'analyse d'impédance échouent est les condensateurs distribués. Ces outils d'analyse ne reflètent généralement pas l'influence des broches et des porosités (cette influence est souvent analysée à l'aide d'un simulateur). Cet effet peut être très important, surtout sur le panneau arrière. La raison est simple: l'impédance caractéristique peut généralement être calculée par la formule suivante: âl / C

Où l et C sont respectivement l'inductance et la capacité par unité de longueur.

Si les broches sont alignées uniformément, la capacité supplémentaire affectera grandement le résultat du calcul. La formule devient: âl / (C + C ')

C est la capacité de la broche par unité de longueur.

Si les connecteurs sont connectés en ligne droite comme le fond de panier, vous pouvez utiliser la capacité totale de la ligne et la capacité totale de la broche (à l'exception de la première et de la dernière broche). De cette façon, l'impédance effective sera réduite et peut - être même réduite de 80 à 8 îles. Pour trouver une valeur valide, il faut diviser la valeur d'impédance d'origine par: â (1 + C '/ C)

Ce calcul est important pour la sélection des composants.

Retard

Lors de la simulation, la capacité (et parfois l'inductance) du composant et du boîtier doit être prise en compte. Deux problèmes doivent être notés: Tout d'abord, le simulateur peut ne pas simuler correctement les condensateurs distribués; Deuxièmement, il convient de noter l'impact des différentes conditions de production sur les couches incomplètes et les traces non parallèles. De nombreux outils de solutions de terrain ne peuvent pas analyser la distribution de la pile sans pleine puissance ou sans couche de mise à la terre. Cependant, s'il y a une couche de terre adjacente à la couche de signal, le retard calculé sera assez mauvais, comme dans le cas d'un condensateur, il y aura un retard maximal; Cela peut être encore pire si les deux couches du panneau double ont beaucoup de lignes de sol et de feuilles de cuivre VCC. Si ce processus n'est pas automatisé, il serait très déroutant de configurer ces choses dans un système de Cao.

EMC

Il existe de nombreux facteurs qui influencent la Cem, dont beaucoup ne sont généralement pas analysés. Même lorsqu'ils sont analysés, il est souvent trop tard après la conception. Voici quelques - uns des facteurs qui affectent EMC:

1. Les fentes dans le plan de puissance constituent une antenne d'un quart de longueur d'onde. Pour les occasions où une rainure doit être installée sur un récipient métallique, la méthode de perçage doit être utilisée.

2. Composants inductifs. J'ai rencontré un designer qui a suivi toutes les règles de conception et fait des simulations, mais sa carte a encore beaucoup de signaux de rayonnement. La raison en est qu'il y a deux inducteurs placés parallèlement l'un à l'autre sur la couche supérieure pour former un transformateur.

3. La faible impédance de la couche interne entraîne un courant transitoire important dans la couche externe en raison de l'influence du plan de masse incomplet.

La plupart de ces problèmes peuvent être évités en adoptant une conception défensive. Tout d'abord, une structure d'empilement et une stratégie de câblage correctes doivent être élaborées afin que vous puissiez prendre un bon départ.

Certaines questions fondamentales telles que la topologie du réseau, les causes de distorsion du signal et les méthodes de calcul de diaphonie ne sont pas abordées ici; Seules quelques questions sensibles sont analysées pour aider le lecteur à appliquer les résultats obtenus du système EDA. Toute analyse dépend du modèle utilisé et les facteurs non analysés influencent également les résultats. Trop compliqué, c'est comme trop inexact. Éviter trop de changements de paramètres (tels que la largeur de ligne d'impression, etc.) aidera à un design soigné et cohérent.