PCB Tecnico - La tecnologia chiave e il progresso della progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità

L'alta velocità e l'alta densità è gradualmente diventata una delle tendenze significative di sviluppo di molti prodotti elettronici moderni e la tecnologia di progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità è diventata un campo di ricerca importante.

Rispetto alla progettazione PCB tradizionale, la progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità presenta diversi problemi tecnici chiave e nuove tecniche di progettazione devono essere sviluppate. Ci sono molte questioni teoriche e tecniche che devono essere studiate in profondità. Allo stesso tempo, i requisiti per PCB ad alta velocità e ad alta densità stanno diventando sempre più alti, il che fa sì che la progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità continui ad affrontare nuovi problemi; l'emergere continuo di un gran numero di risultati di ricerca correlati ha promosso lo sviluppo continuo della tecnologia di progettazione PCB ad alta velocità e ad alta densità. Questo articolo introduce le questioni tecniche chiave della progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità (integrità del segnale, integrità di potenza, EMC/EM I e analisi termica) e i nuovi sviluppi nella relativa tecnologia EDA e discute diverse tendenze importanti nella progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità.

Principali questioni tecniche

I principali problemi tecnici della progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità includono principalmente integrità del segnale (SI), integrità di potenza (PI), EMC/EM I e analisi termica.

Integrità del segnale

L'integrità del segnale si riferisce principalmente alla qualità del segnale trasmesso sulla linea del segnale. 1 Quando il segnale del circuito può raggiungere i pin del chip ricevente con la tempistica, la durata e l'ampiezza di tensione richiesti, il circuito ha una buona integrità del segnale. Quando il segnale non può rispondere normalmente o la qualità del segnale non può far funzionare il sistema stabile per lungo tempo, appare il problema di integrità del segnale. I problemi di integrità del segnale si manifestano principalmente come: ritardo, riflessione, overshoot, squillo, crosstalk, temporizzazione, rumore di commutazione sincrona, EM I, ecc.

I problemi di integrità del segnale porteranno direttamente a distorsioni del segnale, errori di temporizzazione e dati errati, indirizzi e segnali di controllo, con conseguente errori di sistema o addirittura paralisi. Generalmente, per i chip digitali, il livello superiore a V IH è logica 1, e il livello inferiore a V IL è logica 0, e il livello tra VIL e VIH è uno stato indeterminato. Per i segnali digitali con squillo, quando il livello di oscillazione entra nella zona di incertezza di VIL ~ VIH, possono essere causati errori logici. La trasmissione dei segnali digitali deve avere una tempistica corretta. I chip digitali generali richiedono che i dati devono essere stabili prima di tsetup del bordo del trigger clock per garantire che la sequenza logica sia corretta. Se il tempo di ritardo della trasmissione del segnale è troppo lungo, la logica corretta potrebbe non essere ricevuta al bordo in salita o in caduta dell'orologio, causando errori di temporizzazione.

Le ragioni dei problemi di integrità del segnale sono più complicate. I parametri dei componenti, i parametri PCB, il layout dei componenti sul PCB e il cablaggio dei segnali ad alta velocità sono tutti fattori importanti che influenzano l'integrità del segnale. L'integrità del segnale è un problema sistematico e la ricerca e la risoluzione dei problemi di integrità del segnale devono utilizzare un punto di vista sistematico.

Relativamente parlando, le persone hanno attraversato decenni di ricerca sui problemi di integrità del segnale, e hanno ottenuto molti importanti risultati teorici e tecnici, e accumulato una ricca esperienza. Molte tecnologie di integrità del segnale sono relativamente mature e sono state ampiamente utilizzate.

Integrità dell'alimentazione

L'integrità di alimentazione si riferisce principalmente al sistema ad alta velocità, al sistema di distribuzione dell'energia (sistema di distribuzione dell'energia, PDS) a frequenze diverse, le caratteristiche di impedenza sono diverse, in modo che la tensione tra lo strato di alimentazione e lo strato di terra sul PCB non sia la stessa ovunque sul circuito stampato, con conseguente interruzione dell'alimentazione elettrica, con conseguente rumore dell'alimentazione elettrica, che rende il chip incapace di funzionare normalmente. Allo stesso tempo, a causa delle radiazioni ad alta frequenza, i problemi di integrità dell'alimentazione porteranno anche problemi EMC/EM I. Nei circuiti ad alta velocità e bassa tensione, il rumore dell'alimentazione elettrica è particolarmente grave.

La proposta di integrità dell'alimentazione è nata dall'enorme errore portato dall'analisi dell'integrità del segnale basata su cablaggi e modelli di dispositivi senza considerare l'influenza della potenza.

Relativamente parlando, la ricerca sull'integrità del potere è iniziata tardi, e la ricerca teorica e i mezzi tecnici non sono abbastanza maturi. È una delle sfide più grandi per la progettazione di PCB ad alta velocità e ad alta densità. Attualmente, alcune misure comuni sono adottate principalmente per ridurre al minimo gli effetti negativi causati da problemi di integrità dell'alimentazione in una certa misura. Le misure principali adottate sono quelle per ottimizzare lo stack PCB, il layout e il design del cablaggio; l'altro è aumentare adeguatamente i condensatori di disaccoppiamento. Quando la frequenza del sistema è inferiore a 300-400 MHz, è utile ridurre l'influenza dei problemi di integrità dell'alimentazione impostando un condensatore adatto in una posizione appropriata. Tuttavia, quando la frequenza del sistema è più alta, il condensatore di disaccoppiamento ha poco effetto. In questo caso, solo ottimizzando il design del PCB per ridurre l'impatto dei problemi di integrità dell'alimentazione.

EMC

EMC (compatibilità elettromagnetica) è generalmente definita come: "La capacità di un dispositivo o di un sistema di funzionare normalmente nel suo ambiente elettromagnetico e non costituisce un disturbo elettromagnetico insopportabile per nulla nell'ambiente. "La ricerca è limitata. In condizioni di spazio limitato, tempo limitato e risorse dello spettro limitato, varie apparecchiature elettriche (sottosistemi, sistemi ed entità biologiche in senso lato) possono coesistere senza causare degrado. "

EMC studia principalmente due aspetti dell'EM I (interferenza elettromagnetica) e dell'EMS (sensibilità elettromagnetica). La generazione di EM I è causata dalla fonte di interferenza elettromagnetica che trasmette energia al sistema sensibile attraverso il percorso di accoppiamento. Comprende tre forme di base: conduzione da filo e terreno comune, radiazione attraverso lo spazio, o accoppiamento attraverso il vicino campo.

L'EMC dei prodotti elettronici è molto importante. Attualmente, molti paesi e regioni hanno standard EMC rigorosi e completi. Sempre più prodotti elettronici devono superare i test e la certificazione EMC pertinenti prima di poter entrare sul mercato. Inoltre, con il deterioramento dell'ambiente elettromagnetico, i requisiti EMC per i prodotti elettronici diventeranno sempre più elevati.

Relativamente parlando, il problema EMC è il più complicato. Quando il tempo di salita (caduta) è ridotto da 5 ns a 2,5 ns, EM I aumenterà di circa 4 volte. La larghezza spettrale di EM I è inversamente proporzionale al tempo di salita. L'intensità di radiazione di EM I è proporzionale al quadrato della frequenza. La gamma di frequenze di questo tipo di radiazione EM I è di circa decine di MHz a diversi GHz. Le lunghezze d'onda corrispondenti a queste alte frequenze sono molto brevi e le brevi linee di collegamento sul PCB o anche le linee di interconnessione nel chip possono diventare efficienti antenne di trasmissione o ricezione, che possono causare gravi problemi EMC. Henry W Ott, Presidente di Henry Ott Consulting, ha sottolineato nel suo discorso introduttivo alla PCB Design Conference-East: "Nell'era della progettazione ad alta velocità, i progettisti di PCB affronteranno problemi se non impareranno di più sui problemi EMC. Molti problemi inaspettati. "Poiché la velocità di progettazione è più veloce e la progettazione wireless è diventata sempre più comune, EMC diventerà una sfida ancora più grande."

A causa della complessità dell'EMC e dei crescenti requisiti dei moderni prodotti elettronici per l'EMC, la tecnologia EMC sarà un campo importante che richiede una ricerca a lungo termine. Attualmente, la prevenzione e la risoluzione dei problemi EMC seguono principalmente alcune regole comuni di vincolo di progettazione PCB. Tuttavia, l'uso specifico di tali regole e l'effetto devono essere analizzati in dettaglio, che dipende in larga misura dal livello teorico e dall'esperienza pratica del progettista.