PCB Tecnico - Quattro aspetti a cui prestare attenzione quando si progettano circuiti stampati ad alta velocità

Questo articolo spiega come i cambiamenti nel processo causano il cambiamento dell'impedenza effettiva e come utilizzare risolutori di campo accurati per prevedere questo fenomeno. Anche se non vi è alcun cambiamento di processo, altri fattori faranno sì che l'impedenza effettiva sia molto diversa. Quando si progettano circuiti stampati ad alta velocità, gli strumenti di progettazione automatizzati a volte non riescono a trovare questo problema poco evidente ma molto importante. Tuttavia, fintanto che vengono adottate alcune misure nelle prime fasi della progettazione, questo problema può essere evitato. Questa tecnica è chiamata "progettazione difensiva".

Il numero di pile

Una buona struttura laminata è la migliore misura preventiva per la maggior parte dei problemi di integrità del segnale e dei problemi EMC, ed è anche la più fraintesa dalle persone. Ci sono diversi fattori in gioco qui, e un buon modo per risolvere un problema può peggiorare altri problemi. Molti fornitori di progettazione di sistemi suggeriranno che ci dovrebbe essere almeno un piano continuo nel circuito stampato per controllare l'impedenza caratteristica e la qualità del segnale. Finché il costo può essere accessibile, questo è un buon suggerimento. I consulenti EMC spesso raccomandano di posizionare uno strato di riempimento o di terra sullo strato esterno per controllare la radiazione elettromagnetica e la sensibilità alle interferenze elettromagnetiche. Anche questo è un buon suggerimento in determinate condizioni.

Figura 1: Analizzare il problema del segnale nella struttura laminata con il modello di capacità

Tuttavia, a causa delle correnti transitorie, questo metodo può essere fastidioso in alcuni progetti comuni. Per prima cosa, guardiamo al semplice caso di una coppia di piano di potenza/piano di terra: può essere visto come un condensatore. Si può considerare che lo strato di potenza e lo strato di terra sono le due piastre del condensatore. Per ottenere un valore di capacità più grande, è necessario spostare le due piastre più vicine (distanza D) e aumentare la costante dielettrica (εâ¼râ¼). Più grande è la capacità, minore è l'impedenza, che è ciò che vogliamo perché può sopprimere il rumore. Non importa come sono disposti gli altri strati, lo strato di potenza principale e lo strato di terra dovrebbero essere adiacenti e al centro della pila. Se la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra è grande, causerà un grande ciclo di corrente e porterà un sacco di rumore. Per una scheda a 8 strati, posizionare lo strato di potenza su un lato e lo strato di terra sull'altro lato causerà i seguenti problemi:

1. Massimo crosstalk. A causa dell'aumento della capacità reciproca, la conversazione incrociata tra gli strati del segnale è maggiore della conversazione incrociata degli strati stessi.

2. La più grande circolazione. La corrente scorre intorno a ciascun piano di potenza e parallela al segnale, una grande quantità di corrente entra nel piano di potenza principale e ritorna attraverso il piano di terra. Le caratteristiche EMC si deterioreranno a causa dell'aumento della corrente circolante.

3. Perdita del controllo sull'impedenza. Più lontano il segnale è dallo strato di controllo, minore è l'accuratezza del controllo dell'impedenza dovuta ad altri conduttori intorno ad esso.

4. Poiché è facile causare cortocircuito della saldatura, può aumentare il costo del prodotto.

Dobbiamo fare una scelta di compromesso tra prestazioni e costi, quindi come organizzare il circuito digitale per ottenere le migliori caratteristiche SI ed EMC?

La distribuzione di ogni strato del PCB è generalmente simmetrica. Non dovrebbero essere posizionati più di due strati di segnale uno accanto all'altro; altrimenti, il controllo sull'SI andrà in gran parte perduto. È meglio posizionare gli strati interni del segnale simmetricamente in coppia. A meno che alcuni segnali non debbano essere cablati a dispositivi SMT, dovremmo ridurre al minimo il cablaggio del segnale sullo strato esterno.

Figura 2: Il primo passo di una buona soluzione di progettazione è progettare correttamente la struttura laminata

Per i circuiti stampati con più strati, possiamo ripetere questo metodo di posizionamento molte volte. È anche possibile aggiungere strati di potenza aggiuntivi e strati di terra; a condizione che non vi siano coppie di livelli di segnale tra i due livelli di potenza.

Il cablaggio dei segnali ad alta velocità dovrebbe essere organizzato nella stessa coppia di strati di segnale; a meno che questo principio non debba essere violato a causa della connessione di dispositivi SMT. Tutte le tracce di un segnale dovrebbero avere un percorso di ritorno comune (cioè il piano di terra). Ci sono due idee e metodi per giudicare quali due strati possono essere considerati una coppia:

1. Assicurarsi che i segnali di ritorno a distanze uguali siano esattamente gli stessi. Ciò significa che i segnali devono essere instradati simmetricamente su entrambi i lati del piano di terra interno. Il vantaggio di questo è che è facile controllare l'impedenza e la corrente circolante; Lo svantaggio è che ci sono molte vie sullo strato di terra, e ci sono alcuni strati inutili.

2. Due strati di segnale di cablaggio adiacente. Il vantaggio è che i vias nello strato di terra possono essere controllati al minimo (utilizzando vias sepolti); lo svantaggio è che l'efficacia di questo metodo è ridotta per alcuni segnali chiave.

Nel secondo metodo, il collegamento a terra per la guida e la ricezione del segnale dovrebbe preferibilmente essere collegato direttamente allo strato adiacente allo strato di cablaggio del segnale. Come semplice principio di cablaggio, la larghezza del cablaggio superficiale in pollici dovrebbe essere inferiore a un terzo del tempo di salita dell'azionamento in nanosecondi (ad esempio, la larghezza del cablaggio di TTL ad alta velocità è di 1 pollice).

Se è alimentato da più alimentatori, uno strato di terra deve essere posato tra i cavi di alimentazione per separarli. I condensatori non possono essere formati per evitare l'accoppiamento CA tra gli alimentatori.

Le misure di cui sopra sono tutte al fine di ridurre la circolazione e il crosstalk, e rafforzare la capacità di controllo dell'impedenza. Il piano di terra formerà anche un'efficace "scatola di schermatura" EMC. Sotto la premessa di considerare l'influenza sull'impedenza caratteristica, la superficie inutilizzata può essere trasformata in uno strato di terra.

Impedenza caratteristica

Una buona struttura laminata può controllare efficacemente l'impedenza e il suo cablaggio può formare una struttura di linea di trasmissione facile da capire e prevedibile. Gli strumenti di soluzione in loco possono gestire bene tali problemi, purché il numero di variabili sia controllato al minimo, si possono ottenere risultati abbastanza precisi.

Tuttavia, quando tre o più segnali sono impilati insieme, questo non è necessariamente il caso, e la ragione è sottile. Il valore di impedenza target dipende dalla tecnologia di processo del dispositivo. La tecnologia CMOS ad alta velocità può generalmente raggiungere circa 70Ω; I dispositivi TTL ad alta velocità generalmente possono raggiungere circa 80Ω a 100Ω. Poiché il valore di impedenza di solito ha una grande influenza sulla tolleranza al rumore e sulla commutazione del segnale, è necessario essere molto attenti quando si sceglie l'impedenza; il manuale del prodotto dovrebbe fornire indicazioni al riguardo.

I risultati iniziali dello strumento di risoluzione in loco possono incontrare due tipi di problemi. Il primo è il problema della visione ristretta. Lo strumento di soluzione sul campo analizza solo l'influenza delle tracce vicine e non considera tracce non parallele su altri strati che influenzano l'impedenza. Lo strumento di soluzione on-site non può conoscere i dettagli prima del cablaggio, cioè quando assegna la larghezza di traccia, ma il metodo di disposizione di coppia sopra menzionato può ridurre al minimo questo problema.

Vale la pena menzionare l'influenza dei piani di potenza parziale. Il circuito esterno è spesso affollato con fili di rame a terra dopo il cablaggio, che è utile per sopprimere EMI e la placcatura dell'equilibrio. Se solo tali misure vengono adottate per lo strato esterno, la struttura laminata raccomandata in questo articolo avrà un effetto molto piccolo sull'impedenza caratteristica.

L'effetto di utilizzare un gran numero di livelli di segnale adiacenti è molto significativo. Alcuni strumenti di soluzione in loco non riescono a trovare la presenza di fogli di rame, perché possono controllare solo le linee stampate e l'intero strato, quindi il risultato dell'analisi dell'impedenza non è corretto. Quando c'è metallo sullo strato adiacente, agisce come uno strato di terra meno affidabile. Se l'impedenza è troppo bassa, la corrente istantanea sarà grande, che è un problema EMI pratico e sensibile.

Un altro motivo per il fallimento degli strumenti di analisi dell'impedenza sono condensatori distribuiti. Questi strumenti di analisi generalmente non possono riflettere l'influenza di pin e vias (questa influenza viene solitamente analizzata con un simulatore). Questo effetto può essere significativo, soprattutto sul piano posteriore. Il motivo è molto semplice: l'impedenza caratteristica di solito può essere calcolata con la seguente formula: â Ֆš L/C

Tra questi, L e C sono l'induttanza e la capacità per unità di lunghezza rispettivamente.

Se i perni sono disposti uniformemente, la capacità aggiuntiva influenzerà notevolmente il risultato del calcolo. La formula diventerà: â Ֆš L/(C+C')

C'è la capacità del perno per unità di lunghezza.

Se i connettori sono collegati in linea retta come sul piano posteriore, è possibile utilizzare la capacità totale della linea e la capacità totale del pin tranne il primo e l'ultimo pin. In questo modo, l'impedenza effettiva sarà ridotta, e potrebbe anche scendere da 80Ω a 8Ω. Per trovare il valore effettivo, il valore originale dell'impedenza deve essere diviso per: â Ֆš( 1+C'/C)

Questo calcolo è molto importante per la selezione dei componenti.

ritardo

Durante la simulazione, la capacità del componente e del pacchetto (e talvolta anche l'induttanza dovrebbe essere inclusa) dovrebbe essere considerata. Prima di tutto, il simulatore potrebbe non essere in grado di simulare correttamente condensatori distribuiti; in secondo luogo, è necessario prestare attenzione all'impatto delle diverse condizioni di produzione su strati incompleti e tracce non parallele. Molti strumenti di soluzione on-site non possono analizzare la distribuzione degli stack senza piani a pieno potere o terra. Tuttavia, se c'è uno strato di terra adiacente allo strato del segnale, allora il ritardo calcolato sarà abbastanza cattivo, come un condensatore, ci sarà il ritardo più grande; Se una scheda bifacciale ha molti fili di terra e fogli di rame VCC su entrambi gli strati, questa situazione è ancora più grave. Se il processo non è automatizzato, impostare queste cose in un sistema CAD sarà molto disordinato.

EMC

Ci sono molti fattori che influenzano EMC, molti dei quali di solito non vengono analizzati. Anche se vengono analizzati, spesso è troppo tardi dopo il completamento del progetto. Di seguito sono riportati alcuni fattori che influenzano EMC:

1. Gli slot nel piano di potenza costituiscono un'antenna di quarto di lunghezza d'onda. Per le occasioni in cui sono richieste scanalature di installazione su contenitori metallici, dovrebbero essere utilizzati invece metodi di perforazione.

2. Componenti induttivi. Una volta ho incontrato un designer che ha seguito tutte le regole di progettazione e fatto simulazioni, ma il suo circuito ha ancora molti segnali di radiazione. Il motivo è che ci sono due induttori disposti parallelamente l'uno all'altro sullo strato superiore per formare un trasformatore.

3. A causa dell'influenza del piano di terra incompleto, la bassa impedenza dello strato interno provoca una grande corrente transitoria nello strato esterno.

La maggior parte di questi problemi può essere evitata adottando un disegno difensivo. Prima di tutto, la corretta struttura dello stack e la strategia di cablaggio dovrebbero essere fatte, in modo che possa essere fatto un buon inizio.

Alcune questioni di base non sono trattate qui, come topologia della rete, cause di distorsione del segnale e metodi di calcolo crosstalk; Solo alcuni problemi sensibili vengono analizzati per aiutare i lettori ad applicare i risultati ottenuti dal sistema EDA. Qualsiasi analisi dipende dal modello utilizzato, e fattori non analizzati influenzeranno anche i risultati. Essere troppo complicati è come essere troppo imprecisi. Evitare troppe modifiche ai parametri (come la larghezza della linea stampata, ecc.) aiuterà un design ordinato e coerente.