Data PCB - Teknologi penghalaan meningkatkan integriti papan PCB terbenam

1. Pengenalan

Papan litar bercetak ialah sokongan asas komponen dan peranti litar dalam produk elektronik, dan kualiti reka bentuknya selalunya secara langsung mempengaruhi kebolehpercayaan dan keserasian sistem terbenam. Pada masa lalu, dalam beberapa papan litar berkelajuan rendah, frekuensi jam biasanya hanya kira-kira 10 MHz. Cabaran utama reka bentuk papan litar atau pakej ialah cara menghalakan semua talian isyarat pada papan dua lapisan dan cara memasang tanpa memusnahkan pakej. Ciri-ciri elektrik interkoneksi tidak kritikal kerana interkoneksi tidak menjejaskan prestasi sistem. Dalam pengertian ini, talian interkoneksi dalam papan litar berkelajuan rendah isyarat tidak terhalang dan telus. Walau bagaimanapun, dengan pembangunan sistem terbenam, litar yang digunakan pada asasnya adalah litar frekuensi tinggi. Oleh kerana peningkatan kekerapan jam, kelebihan isyarat yang semakin meningkat juga dipendekkan, dan tindak balas kapasitif dan induktif litar bercetak kepada isyarat lulus akan menjadi lebih besar daripada rintangan litar bercetak itu sendiri memberi kesan serius kepada integriti isyarat. Untuk sistem terbenam, kesan integriti isyarat menjadi penting apabila frekuensi jam melebihi 100 MHz atau tepi meningkat kurang daripada 1 ns. Kertas kerja ini bermula daripada ciri elektrik sebenar talian isyarat dalam litar digital berkelajuan tinggi, mewujudkan model ciri elektrik, mencari sebab utama yang mempengaruhi integriti isyarat dan cara menyelesaikan masalah, dan memberikan masalah yang perlu diberi perhatian dalam pendawaian dan kaedah serta kemahiran yang perlu diikuti.

2. Integriti isyarat

Secara umumnya, boleh dianggap bahawa integriti isyarat harus merangkumi makna berikut: herotan bentuk gelombang isyarat harus dikawal dalam julat tertentu, gambarajah pemasaan aliran isyarat dapat memenuhi keperluan logik, dan penjanaan isyarat dan proses penghantaran adalah stabil dalam keadaan pecah. Kemusnahan integriti isyarat terutamanya disebabkan oleh dua sebab. Pertama, disebabkan oleh gangguan luar, terutamanya gangguan saluran pengaliran, termasuk kesan pantulan yang disebabkan oleh ketidakpadanan impedans saluran penghantaran, bentuk gelombang asal dimusnahkan; kedua, isyarat digital secara semula jadi Kesan penyebaran spektrum berlaku, mengubah bentuk gelombang asal. Apabila frekuensi jam agak tinggi, seperti apabila jam mencapai 10MHz atau lebih atau masa tepi nadi mencapai 1ns atau kurang, kita akan mendapati bahawa bukan mudah untuk mendapatkan isyarat ke tempat yang dijangkakan. Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi isu integriti isyarat, termasuk jitter , kelewatan, lantunan tanah, pantulan, crosstalk, bunyi pensuisan, ketidakpadanan bekalan kuasa, pengecilan, regangan nadi, kekeliruan pemasaan, dll. Isu integriti isyarat sentiasa melibatkan keseluruhan proses isyarat , jadi jaminan integriti isyarat memerlukan persekitaran fizikal di mana keseluruhan isyarat berfungsi. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk memodelkan sistem integriti isyarat. Model sistem integriti isyarat harus merangkumi tiga bahagian: sumber isyarat lengkap, saluran penyelarasan fizikal isyarat, dan penerimaan isyarat lengkap. Kandungan utama tiga bahagian tersebut adalah seperti berikut:

(1) Sumber isyarat lengkap: pastikan integriti isyarat yang dihasilkan. Ini termasuk jaminan bekalan kuasa, penapisan hingar, potensi tanah, penghapusan mod biasa, jaminan impedans keluaran, dsb.

(2) Saluran penyelarasan fizikal isyarat: Pastikan isyarat tidak berubah semasa penghantaran. Ini termasuk: crosstalk, kelewatan, penurunan saluran, pantulan dan resonans, lebar jalur, pengecilan, kawalan impedans, pemautan litar dan banyak lagi.

(3) Penerimaan isyarat lengkap: pastikan penerimaan kecekapan tinggi tanpa herotan. Ini termasuk: pemadanan impedans input, pemprosesan pembumian, galangan bersama rangkaian berbilang terminal, kapasitor penyahgandingan, kapasitor penapis, pengedaran isyarat rangkaian input dan isu perlindungan isyarat

2.1 Kelewatan: Kelewatan bermaksud isyarat dihantar pada kelajuan terhad pada talian penghantaran papan PCB. Isyarat dihantar daripada penghantar kepada penerima, dan terdapat kelewatan penghantaran di antaranya. Kelewatan isyarat mempunyai kesan ke atas pemasaan sistem; kelewatan perambatan terutamanya ditentukan oleh panjang wayar dan pemalar dielektrik medium yang mengelilingi wayar. Dalam sistem digital berkelajuan tinggi, panjang talian penghantaran isyarat adalah faktor langsung yang mempengaruhi perbezaan fasa denyutan jam. Perbezaan fasa denyutan jam merujuk kepada masa tak segerak apabila dua isyarat jam yang dijana pada masa yang sama tiba di hujung penerima. Perbezaan fasa nadi jam mengurangkan kebolehramalan ketibaan tepi isyarat, dan jika perbezaan fasa nadi jam terlalu besar, ia akan menghasilkan isyarat yang salah pada hujung penerima.

2.2 Refleksi: Refleksi ialah gema isyarat pada garis isyarat. Apabila masa tunda isyarat jauh lebih besar daripada masa peralihan isyarat, talian isyarat mesti digunakan sebagai talian penghantaran. Apabila impedans ciri talian penghantaran tidak sepadan dengan impedans beban, sebahagian daripada kuasa isyarat (voltan atau arus) dihantar ke talian dan mencapai beban, tetapi sebahagiannya dipantulkan. Jika galangan beban lebih kecil daripada galangan asal, pantulan adalah negatif; jika tidak, refleksi adalah positif. Variasi dalam geometri surih, penamatan wayar yang salah, penghantaran melalui penyambung, dan ketakselanjaran satah kuasa semuanya boleh menyebabkan pantulan sedemikian.

2.3 Crosstalk: Crosstalk ialah gandingan antara dua garis isyarat, kearuhan bersama dan kemuatan bersama antara garis isyarat, dan hingar pada garis isyarat. Gandingan kapasitif mendorong arus gandingan, manakala gandingan aruhan mendorong voltan gandingan. Bunyi crosstalk berpunca daripada gandingan elektromagnet antara talian isyarat, antara sistem isyarat dan sistem pengagihan kuasa, dan antara vias. Penggulungan silang boleh menyebabkan jam palsu, ralat data terputus-putus, dsb., dan menjejaskan kualiti penghantaran isyarat bersebelahan. Realitinya, crosstalk tidak boleh dihapuskan sepenuhnya, tetapi ia boleh dikawal dalam julat yang boleh diterima oleh sistem. Parameter lapisan PCB, jarak antara garis isyarat, ciri elektrik hujung pemacu dan hujung penerima, dan kaedah penamatan garis dasar semuanya mempunyai pengaruh tertentu pada crosstalk. Apabila pendawaian papan PCB berkelajuan tinggi, jika ruang pendawaian kecil atau ketumpatan pendawaian tinggi, masalah crosstalk adalah sangat serius, dan gangguan elektromagnet yang disebabkan olehnya akan menjejaskan isyarat litar secara serius. Untuk mengurangkan crosstalk, langkah berikut boleh diambil semasa pendawaian: tamatkan dengan betul talian isyarat sensitif crosstalk, dan kurangkan crosstalk dengan mengurangkan kapasiti gandingan melalui pemadanan impedans.

2.4 Overshoot dan undershoot: Overshoot ialah nilai puncak atau lembah yang melebihi voltan yang ditetapkan. Untuk kelebihan yang semakin meningkat, ia merujuk kepada voltan; untuk kelebihan jatuh, ia merujuk kepada voltan. Undershoot ialah apabila lembah atau puncak seterusnya melebihi voltan yang ditetapkan. Overshoot yang berlebihan boleh menyebabkan diod perlindungan beroperasi, menyebabkan ia gagal sebelum waktunya. Undershoot yang berlebihan boleh menyebabkan jam palsu atau ralat data (salah operasi).

2.5 Ayunan dan Ayunan Surround: Fenomena ayunan adalah overshoot dan undershoot berulang. Ayunan isyarat ialah ayunan yang disebabkan oleh kearuhan dan kemuatan peralihan pada talian, yang tergolong dalam keadaan kurang lembap, manakala ayunan sekeliling tergolong dalam keadaan terlampau lembap. Ayunan dan ayunan sekeliling, seperti pantulan, disebabkan oleh banyak faktor, dan ayunan boleh dikurangkan dengan penamatan yang betul, tetapi tidak boleh dihapuskan sepenuhnya. Bunyi lantunan tanah dan bunyi kembali: Apabila terdapat lonjakan arus yang besar dalam litar, ia akan menyebabkan bunyi lantunan tanah. Sebagai contoh, apabila output sejumlah besar cip dihidupkan pada masa yang sama, akan terdapat arus sementara yang besar antara cip dan papan. Kearuhan dan rintangan pakej cip dan satah kuasa akan menyebabkan bunyi bekalan kuasa, yang akan menyebabkan turun naik voltan dan perubahan pada satah tanah yang sebenar, dan bunyi ini akan menjejaskan tingkah laku komponen lain. Peningkatan kapasitansi beban, penurunan rintangan beban, peningkatan kearuhan tanah, dan peningkatan bilangan peranti pensuisan semuanya akan membawa kepada peningkatan lantunan tanah.

3. Analisis ciri-ciri elektrik saluran penghantaran

Dalam papan PCB berbilang lapisan, kebanyakan talian penghantaran bukan sahaja disusun pada satu lapisan, tetapi berperingkat pada berbilang lapisan, dan lapisan disambungkan melalui vias. Oleh itu, dalam papan PCB berbilang lapisan, saluran penghantaran tipikal terutamanya merangkumi tiga bahagian: talian penghantaran, sudut surih, dan melalui lubang. Dalam kes frekuensi rendah, talian bercetak dan trace vias boleh dianggap sebagai sambungan elektrik biasa yang menyambungkan pin peranti berbeza, yang tidak akan memberi banyak kesan kepada kualiti isyarat. Walau bagaimanapun, pada frekuensi tinggi, jejak, sudut dan vias bukan sahaja perlu mempertimbangkan ketersambungan mereka, tetapi juga pengaruh ciri elektrik dan parameter parasitnya pada frekuensi tinggi.

4. Analisis ciri elektrik talian penghantaran dalam papan PCB berkelajuan tinggi

Dalam reka bentuk papan PCB berkelajuan tinggi, tidak dapat dielakkan untuk menggunakan sejumlah besar talian penyambung isyarat, dan panjangnya berbeza. Masa tunda isyarat yang melalui talian penyambung tidak boleh diabaikan berbanding dengan masa perubahan isyarat itu sendiri, dan isyarat dihantar pada kelajuan gelombang elektromagnet. Untuk penghantaran huluan, talian sambungan pada masa ini adalah rangkaian kompleks dengan rintangan, kapasitansi, dan kearuhan, yang perlu diterangkan oleh model sistem parameter teragih, iaitu model talian penghantaran. Talian penghantaran digunakan untuk menghantar isyarat dari satu hujung ke hujung yang lain dan terdiri daripada 2 wayar dengan panjang tertentu, satu dipanggil laluan isyarat dan satu lagi dipanggil laluan balik. Dalam litar frekuensi rendah, talian penghantaran berkelakuan sebagai sifat elektrik rintangan semata-mata. Dalam papan PCB berkelajuan tinggi, apabila kekerapan isyarat penghantaran meningkat, impedans kapasitif antara wayar berkurangan, dan impedans induktif pada wayar meningkat, dan wayar isyarat tidak akan lagi berkelakuan sebagai rintangan tulen, iaitu, isyarat bukan sahaja akan dihantar pada wayar, tetapi juga Ia juga merambat dalam medium antara konduktor. Untuk wayar seragam, rintangan R, kearuhan parasit L dan kemuatan parasit C talian penghantaran diagihkan sama rata (iaitu, L1=L2=…=Ln; C1=C2=…=Cn+1) tanpa mengambil kira perubahan persekitaran luaran.

5. Analisis ciri elektrik vias dalam papan PCB berkelajuan tinggi

Melalui, biasanya merujuk kepada lubang pada papan litar bercetak, merupakan faktor penting dalam reka bentuk papan PCB berbilang lapisan. Vias boleh digunakan untuk pemasangan tetap komponen pemalam atau sambungan antara lapisan. Dari perspektif proses, vias secara amnya dibahagikan kepada tiga kategori: vias buta, vias terkubur dan melalui vias. Lubang buta terletak pada permukaan atas dan bawah papan litar bercetak, dengan kedalaman tertentu, dan digunakan untuk sambungan litar lapisan permukaan dan litar lapisan dalam yang mendasari. Kedalaman lubang dan diameter lubang biasanya tidak melebihi nisbah tertentu. Vias tertimbus merujuk kepada lubang sambungan yang terletak di lapisan dalam papan litar bercetak, yang tidak meluas ke permukaan papan litar. Lubang-lubang melalui seluruh papan litar dan boleh digunakan untuk sambungan antara lapisan atau sebagai lubang pelekap untuk komponen. Oleh kerana lubang melalui lebih mudah untuk direalisasikan dalam proses dan kosnya lebih rendah, papan litar bercetak umum menggunakan lubang melalui dan bukannya dua jenis lubang melalui yang lain. Lubang melalui yang dinyatakan di bawah dianggap sebagai lubang melalui. Sebagai talian penghantaran khas, vias bukan sahaja menjana kapasitansi parasit ke tanah, tetapi juga kearuhan parasit dalam litar berkelajuan tinggi. Kesan kemuatan parasit melalui pada litar adalah terutamanya untuk memperlahankan atau memburukkan kelebihan isyarat digital yang semakin meningkat, mengurangkan kelajuan litar. Lebih kecil nilai kapasitansi parasit melalui, lebih kecil kesannya. Kesan utama kearuhan melalui parasit adalah untuk mengurangkan keberkesanan kapasitor pintasan bekalan kuasa dan menjadikan keseluruhan kesan penapisan bekalan kuasa lebih teruk.

6. Sumbangan sudut talian penghantaran kepada masalah integriti isyarat saluran penghantaran

Apabila garis bercetak papan PCB melalui sudut, perubahan lebar garis bercetak adalah ya, dan impedans ciri garis bercetak juga berubah. Oleh kerana lebar surih menjadi lebih luas apabila ia melepasi sudut, kapasiti antara surih dan lapisan rujukan meningkat, dan galangan ciri surih berkurangan. Oleh itu, terdapat ketakselanjaran impedans ciri di penjuru garisan bercetak, yang membawa kepada pantulan isyarat pada garis bercetak dan menjejaskan integriti isyarat. Perbandingan pantulan dan ciri penghantaran sudut bentuk geometri yang berbeza: Papan PCB biasa bercetak garis geometri sudut: Sudut bersudut tepat, sudut bulat, dalam dan luar sudut serong 45 darjah, dan sudut serong luar 45 darjah. Ciri pantulan dan penghantaran sudut surih geometri berbeza adalah berbeza. Susunan ciri penghantaran yang sangat baik adalah seperti berikut: sudut tepat < sudut bulat < 45 darjah potongan serong di dalam dan luar < 45 darjah serong luar potong, dan sudut geometri garisan bercetak adalah sudut kanan selekoh dan 45 darjah serong luar potong. Di bawah julat frekuensi 2GH, geometri sudut trek mempunyai sedikit kesan pada ciri penghantaran isyarat, dan kesannya meningkat dengan ketara apabila frekuensi meningkat, terutamanya untuk sudut bersudut tepat. Adalah disyorkan bahawa sudut surih dibengkokkan pada sudut tepat dengan geometri serong 45 darjah, yang dengan sendirinya mempunyai kesan yang kurang pada integriti isyarat. Apabila lebar garis isyarat sempit dalam papan litar berketumpatan tinggi, pengumpulan kelewatan yang disebabkan oleh kapasitansi parasit pada sudut secara amnya tidak mungkin mempunyai kesan yang besar terhadap integriti isyarat. Tetapi untuk litar sensitif frekuensi tinggi, seperti garis jam frekuensi tinggi, kesan kumulatif kapasitans parasit sudut harus dipertimbangkan.

7. Gunakan teknik pendawaian untuk menyekat isu integriti isyarat

Apabila isyarat dikeluarkan daripada sumber pemacu, arus dan voltan yang membentuk isyarat menganggap intersambung sebagai rangkaian impedans. Apabila isyarat merambat di sepanjang rangkaian impedans, ia sentiasa mengalami perubahan impedans sementara yang disebabkan oleh interkoneksi. Jika impedans yang dilihat oleh isyarat kekal sama, isyarat tidak diherotkan. Sebaik sahaja impedans berubah, isyarat dipantulkan pada perubahan dan diherotkan semasa ia bergerak melalui seluruh sambungan. Jika impedans berubah dengan secukupnya, herotan boleh menyebabkan pencetus palsu. Dalam proses reka bentuk pengoptimuman integriti isyarat, matlamat reka bentuk yang penting adalah untuk mereka bentuk semua talian saling sambung sebagai talian penghantaran seragam, dan mengurangkan panjang semua talian penghantaran tidak seragam, supaya impedans yang dirasai oleh isyarat dalam keseluruhan rangkaian kekal tidak berubah. . Berdasarkan ini, dapat disimpulkan bahawa beberapa kaedah menggunakan teknik pendawaian untuk menyekat masalah integriti isyarat: bentuk surih konduktor yang dicetak tidak boleh berselirat, bercabang atau sudut keras, cuba elakkan garisan dan stub berbentuk T; cuba kekalkan talian isyarat rangkaian yang sama. Lebar garisan, kurangkan perubahan lebar baris; mengurangkan panjang talian penghantaran, meningkatkan lebar wayar; cuba meningkatkan jarak antara wayar; cuba untuk mengurangkan vias dan sudut talian isyarat berkelajuan tinggi, dan mengurangkan penukaran antara lapisan talian isyarat; pemilihan saiz vias yang munasabah; mengurangkan kawasan gelung isyarat dan arus gelung. Kesimpulannya, sebarang ciri yang mengubah keratan rentas atau geometri rangkaian akan mengubah impedans yang dilihat oleh isyarat. Kunci untuk mengurangkan masalah integriti isyarat dalam kabel adalah untuk mengurangkan perubahan mendadak galangan pada talian penghantaran, supaya galangan yang dialami oleh isyarat dalam keseluruhan rangkaian kekal tidak berubah. Ringkasnya, dalam reka bentuk papan PCB, adalah perlu untuk menyepadukan susun atur dan pendawaian komponen dan penyelesaian kepada masalah integriti isyarat yang harus digunakan dalam setiap kes, supaya dapat menyelesaikan masalah integriti isyarat dengan lebih baik. papan PCB.

8. Kesimpulan

Dalam aplikasi luas sistem terbenam hari ini, integriti isyarat telah menjadi kandungan yang sangat penting dalam reka bentuk papan PCB sistem terbenam, yang menjejaskan kejayaan atau kegagalan keseluruhan reka bentuk papan PCB. Apabila litar ditentukan, komponen dipilih, dan susun atur PCB ditentukan, teknik pendawaian boleh digunakan untuk menyekat berlakunya masalah integriti isyarat, meningkatkan kebolehpercayaan papan PCB, dan mengurangkan kerugian yang disebabkan oleh masalah integriti isyarat. Menyasarkan kepada masalah integriti isyarat yang disebabkan oleh persekitaran frekuensi tinggi papan PCB sistem terbenam, kertas ini mencadangkan kaedah untuk menindasnya dengan pendawaian yang munasabah. Melalui analisis pelbagai fenomena integriti isyarat dan pemodelan dan penerangan ciri elektrik talian penghantaran, vias dan sudut, beberapa kaedah untuk meningkatkan integriti isyarat dengan menggunakan kemahiran pendawaian dalam reka bentuk papan PCB disimpulkan, yang mempunyai nilai rujukan praktikal.