Teknik PCB - Empat aspek untuk memperhatikan bila merancang papan sirkuit kelajuan tinggi

Artikel ini menjelaskan bagaimana perubahan dalam proses menyebabkan impedance sebenar berubah, dan bagaimana menggunakan penyelesair medan yang tepat untuk meramalkan fenomena ini. Walaupun tidak ada perubahan proses, faktor lain akan menyebabkan impedance sebenar sangat berbeza. Apabila merancang papan sirkuit kelajuan tinggi, alat desain automatik kadang-kadang gagal mencari masalah ini yang tidak jelas tetapi sangat penting. Namun, selama beberapa tindakan diambil dalam langkah awal desain, masalah ini boleh dihindari. Teknik ini dipanggil "desain pertahanan".

Bilangan tumpuan

Struktur laminasi yang baik adalah ukuran preventif terbaik bagi kebanyakan masalah integriti isyarat dan masalah EMC, dan ia juga yang paling salah faham oleh orang. Ada beberapa faktor di sini, dan cara yang baik untuk menyelesaikan satu masalah mungkin memperburuk masalah lain. Banyak penyedia rancangan sistem akan menyarankan bahawa sepatutnya ada sekurang-kurangnya satu pesawat terus menerus di papan sirkuit untuk mengawal keterangan dan kualiti isyarat. Selama biaya boleh diterima, ini adalah cadangan yang baik. Para konsultan EMC sering menyarankan meletakkan penuh tanah atau lapisan tanah pada lapisan luar untuk mengawal radiasi elektromagnetik dan sensitiviti kepada gangguan elektromagnetik. Ini juga cadangan yang baik dalam keadaan tertentu.

Figur 1: Analisis masalah isyarat dalam struktur laminasi dengan model kapasitasi

Namun, disebabkan arus sementara, kaedah ini mungkin mengganggu dalam beberapa rancangan umum. Pertama, mari kita lihat kes sederhana pasangan pesawat kuasa/pesawat tanah: ia boleh dilihat sebagai kondensator. Ia boleh dianggap bahawa lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah dua plat kondensator. Untuk mendapatkan nilai kapasitasi yang lebih besar, perlu memindahkan dua plat lebih dekat (jarak D) dan meningkatkan konstan dielektrik (ε▼r ▼). Semakin besar kapasitasi, semakin rendah impedance, yang mana yang kita mahu kerana ia boleh menekan bunyi. Tidak peduli bagaimana lapisan lain diatur, lapisan kuasa utama dan lapisan tanah seharusnya disebelah dan di tengah tumpukan. Jika jarak antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah besar, ia akan menyebabkan gelung semasa besar dan membawa banyak bunyi. Untuk papan 8 lapisan, meletakkan lapisan kuasa di satu sisi dan lapisan tanah di sisi lain akan menyebabkan masalah berikut:

1. Sembunyi salib maksimum. Sebab peningkatan kapasitas bersama, perbualan salib antara lapisan isyarat lebih besar daripada perbualan salib lapisan mereka sendiri.

2. Sirkulasi terbesar. Semasa mengalir di sekitar setiap pesawat kuasa dan selari dengan isyarat, jumlah besar semasa memasuki pesawat kuasa utama dan kembali melalui pesawat tanah. Karakteristik EMC akan teruk kerana meningkat semasa yang berkeliaran.

3. Kehilangan kawalan atas impedance. Semakin jauh isyarat dari lapisan kawalan, semakin rendah akurat kawalan impedance disebabkan konduktor lain di sekelilingnya.

4. Kerana ia mudah menyebabkan sirkuit pendek askar, ia mungkin meningkatkan biaya produk.

Kita perlu membuat pilihan perdagangan antara prestasi dan kos, jadi bagaimana untuk mengatur papan sirkuit digital untuk mendapatkan ciri-ciri SI dan EMC terbaik?

Pendarahan setiap lapisan PCB secara umum simetrik. Lebih dari dua lapisan isyarat tidak patut ditempatkan di sebelah satu sama lain; Jika tidak, kawalan atas SI akan hilang. Lebih baik meletakkan lapisan isyarat dalaman secara simetrik dalam pasangan. Kecuali beberapa isyarat perlu dihantar ke peranti SMT, kita perlu minimumkan kawat isyarat pada lapisan luar.

Figure 2: Langkah pertama solusi reka yang baik adalah untuk reka struktur laminasi dengan betul

Untuk papan sirkuit dengan lebih lapisan, kita boleh ulangi kaedah tempatan ini banyak kali. Ia juga boleh menambah lapisan kuasa tambahan dan lapisan tanah; selagi ia dijamin bahawa tiada pasangan lapisan isyarat antara dua lapisan kuasa.

Kawalan isyarat kelajuan tinggi patut diatur dalam pasangan lapisan isyarat yang sama; kecuali prinsip ini perlu dilanggar kerana sambungan peranti SMT. Semua jejak isyarat sepatutnya mempunyai laluan kembalian umum (iaitu, pesawat tanah). Ada dua idea dan kaedah untuk menilai apa dua lapisan boleh dianggap sebagai pasangan:

1. Pastikan isyarat kembali pada jarak yang sama sama. Ini bermakna isyarat perlu dijalankan secara simetrik pada kedua-dua sisi pesawat tanah dalaman. Keuntungannya ialah ia mudah untuk mengawal kekuatan dan arus yang berkeliaran; Kegagalannya ialah ada banyak botol di lapisan tanah, dan ada beberapa lapisan yang tidak berguna.

2. Dua lapisan isyarat kabel sebelah. Keuntungan adalah bahawa kunci dalam lapisan tanah boleh dikawal ke minimum (menggunakan kunci terkubur); kelemahan ialah keefektivitas kaedah ini dikurangkan untuk beberapa isyarat kunci.

Dalam kaedah kedua, sambungan tanah untuk memandu dan menerima isyarat sepatutnya disambung secara langsung ke lapisan disebelah lapisan kawat isyarat. Sebagai prinsip wayar sederhana, lebar wayar permukaan dalam inci sepatutnya kurang dari satu pertiga masa naik pemacu dalam nanosekund (contohnya, lebar wayar TTL kelajuan tinggi ialah 1 inci).

Jika ia diaktifkan oleh bekalan kuasa berbilang, lapisan tanah mesti diletakkan antara wayar bekalan kuasa untuk memisahkan mereka. Kapasitor tidak boleh dibentuk untuk menghindari sambungan AC antara bekalan kuasa.

Langkah-langkah yang disebut di atas adalah semua untuk mengurangi sirkulasi dan cross talk, dan menguatkan kemampuan kawalan impedance. Pesawat tanah juga akan membentuk "kotak perisai" EMC yang berkesan. Di bawah premis untuk mempertimbangkan pengaruh pada impedance karakteristik, kawasan permukaan yang tidak digunakan boleh dibuat menjadi lapisan tanah.

Impedan karakteristik

Struktur laminasi yang baik boleh mengawal pengendalian secara efektif, dan kawalannya boleh membentuk struktur garis transmisi yang mudah dipahami dan boleh dijangka. Alat penyelesaian di lokasi boleh menangani masalah tersebut dengan baik, selama bilangan pembolehubah dikawal ke minimum, hasil yang cukup tepat boleh dicapai.

Namun, apabila tiga atau lebih isyarat dikumpulkan bersama-sama, ini tidak perlu menjadi kes, dan sebabnya halus. Nilai penghalang sasaran bergantung pada teknologi proses peranti. Teknologi CMOS kelajuan tinggi secara umum boleh mencapai sekitar 70Ω; Peranti TTL kelajuan tinggi biasanya boleh mencapai kira-kira 80Ω hingga 100Ω. Kerana nilai impedance biasanya mempunyai pengaruh besar pada toleransi bunyi dan penukaran isyarat, perlu berhati-hati bila memilih impedance; manual produk patut memberikan petunjuk mengenai hal ini.

Hasil awal alat resolusi di lokasi mungkin menghadapi dua jenis masalah. Pertama adalah masalah pemandangan terbatas. Alat penyelesaian medan hanya menganalisis pengaruh jejak dekat, dan tidak mempertimbangkan jejak bukan selari pada lapisan lain yang mempengaruhi impedance. Alat penyelesaian di lokasi tidak dapat mengetahui perincian sebelum kabel, iaitu, apabila menandakan lebar jejak, tetapi kaedah pengaturan pasangan yang disebut atas boleh minimumkan masalah ini.

Ia layak disebut pengaruh pesawat kuasa sebahagian. Papan sirkuit luar sering penuh dengan wayar tembaga di tanah selepas kawat, yang berguna untuk menekan EMI dan keseimbangan plating. Jika hanya tindakan-tindakan seperti ini diambil untuk lapisan luar, struktur laminasi yang disarankan dalam artikel ini akan mempunyai kesan yang sangat kecil pada pengendalian karakteristik.

Kesan menggunakan bilangan besar lapisan isyarat bersebelahan adalah sangat signifikan. Beberapa alat penyelesaian di lokasi tidak dapat mencari kehadiran foli tembaga, kerana ia hanya boleh memeriksa baris dicetak dan seluruh lapisan, jadi hasil analisis impedance adalah salah. Apabila ada logam pada lapisan sebelah, ia bertindak seperti lapisan tanah yang kurang dipercayai. Jika impedance terlalu rendah, arus segera akan besar, yang merupakan masalah praktik dan sensitif EMI.

Alasan lain untuk kegagalan alat analisis impedance adalah kondensator yang disebarkan. Alat analisis ini secara umum tidak dapat mencerminkan pengaruh pins dan vias (pengaruh ini biasanya dianalisis dengan simulator). Kesan ini boleh menjadi signifikan, terutama pada pesawat belakang. Alasan ini sangat mudah: impedance karakteristik biasanya boleh dihitung dengan formula berikut:

Di antara mereka, L dan C adalah induktansi dan kapasitasi per unit panjang berdasarkan.

Jika pins diatur secara bersamaan, kapasitas tambahan akan mempengaruhi hasil pengiraan. Formula ini akan menjadi:

C adalah kapasitasi pin per unit panjang.

Jika sambungan disambung dalam garis lurus seperti pada lapisan belakang, keseluruhan kapasitasi garis dan keseluruhan kapasitasi pin kecuali pin pertama dan terakhir boleh digunakan. Dengan cara ini, impedance yang berkesan akan dikurangi, dan mungkin jatuh dari 80Ω ke 8Ω. Untuk mencari nilai yang efektif, nilai impedance asal perlu dibahagi dengan: â™(1+C'/C)

Pengiraan ini sangat penting untuk pemilihan komponen.

lambat

Apabila simulasi, kapasitasi komponen dan pakej (dan kadang-kadang indutan juga patut disertai) patut dianggap. Dua isu patut diperhatikan. Pertama-tama, simulator mungkin tidak boleh simulasi kondensator yang disebarkan dengan betul; kedua, perlu memperhatikan kesan syarat produksi yang berbeza pada lapisan yang tidak lengkap dan jejak yang tidak selari. Banyak alat penyelesaian di lokasi tidak dapat menganalisis distribusi tumpukan tanpa tenaga penuh atau pesawat tanah. Bagaimanapun, jika ada lapisan tanah bersebelahan dengan lapisan isyarat, maka lambat pengiraan akan cukup buruk, seperti kondensator, akan ada lambat terbesar; jika papan dua sisi mempunyai banyak wayar tanah dan foil tembaga VCC pada kedua-dua lapisan, keadaan ini lebih serius. Jika proses tidak automatik, menetapkan perkara-perkara ini dalam sistem CAD akan sangat kacau.

EMC

Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi EMC, kebanyakan yang biasanya tidak diuji. Walaupun mereka diuji, ia sering terlambat selepas rancangan selesai. Berikut adalah beberapa faktor yang mempengaruhi EMC:

1. Slot dalam pesawat kuasa membentuk antena panjang ombak-empat. Untuk kadang-kadang dimana pemasangan yang diperlukan pada bekas logam, kaedah pengeboran patut digunakan sebagai gantinya.

2. Komponen induktif. Saya pernah bertemu seorang desainer yang mengikut semua peraturan desain dan membuat simulasi, tetapi papan sirkuitnya masih mempunyai banyak isyarat radiasi. Alasan ialah ada dua induktor yang ditempatkan selari satu sama lain di lapisan atas untuk membentuk pengubah.

3. Kerana pengaruh pesawat tanah tidak lengkap, kekurangan lapisan dalaman yang rendah menyebabkan arus transient besar dalam lapisan luar.

Kebanyakan masalah ini boleh dihindari dengan mengadopsi rancangan pertahanan. Pertama-tama, struktur tumpukan yang betul dan strategi kabel perlu dibuat, supaya permulaan yang baik boleh dibuat.

Beberapa isu as as tidak ditutup di sini, seperti topologi rangkaian, penyebab gangguan isyarat dan kaedah pengiraan salib bercakap; hanya beberapa isu sensitif dianalisis untuk membantu pembaca melaksanakan keputusan yang diperoleh dari sistem EDA. Setiap analisis bergantung pada model yang digunakan, dan faktor yang tidak dianalisis juga akan mempengaruhi keputusan. Menjadi terlalu rumit adalah seperti menjadi terlalu tidak tepat. Menghindari terlalu banyak perubahan parameter (seperti lebar baris dicetak, dll.) akan membantu desain yang bersih dan konsisten.