PCB Блог - Проблемы перекрестных помех при проектировании высокоскоростных печатных плат

В этой статье будут проанализированы причины возникновения перекрестных помех в высокоскоростных печатных плат, а также методы их подавления и улучшения. В сегодняшней быстро развивающейся области электронного дизайна высокая скорость и миниатюризация стали неизбежной тенденцией дизайна. В то же время такие факторы, как увеличение частоты сигнала, уменьшение размера печатной платы, увеличение плотности разводки и уменьшение толщины промежуточного слоя, вызванное увеличением количества слоев платы, вызовут различные проблемы с целостностью сигнала. Следовательно, при проектировании высокоскоростной платы необходимо учитывать проблему целостности сигнала, осваивать теорию целостности сигнала, а затем направлять и проверять конструкцию высокоскоростной платы печатной платы. Среди всех проблем целостности сигнала очень распространены перекрестные помехи. Перекрестные помехи могут возникать внутри микросхем, а также на печатных платах, разъемах, корпусах микросхем и кабелях.

1. Генерация перекрестных помех на печатной плате

Перекрёстные помехи относятся к влиянию на соседние линии передачи из-за электромагнитной связи, когда сигнал передается по каналу передачи. Чрезмерные перекрестные помехи могут вызвать ложное срабатывание схемы, что приведет к неправильной работе системы. Изменяющийся сигнал (например, ступенчатый сигнал) распространяется от А к В по линии передачи, а связанный сигнал возникает на линии передачи от С к D. Когда изменяющийся сигнал возвращается к стабильному уровню постоянного тока, связанный сигнал также перестает существует. Таким образом, перекрестные помехи возникают только в процессе скачкообразной перестройки сигнала, и чем быстрее изменяется сигнал, тем выше генерируемые перекрестные помехи. Перекрёстные помехи можно разделить на перекрестные помехи ёмкостной связи (из-за изменения напряжения источника помех на объекте, который вызывает помехи, индуцируется индуцированный ток, что приводит к электромагнитным помехам) и перекрестные помехи индуктивной связи (из-за изменения тока источника помех, индуцируемое напряжение вызывается на объекте, вызывающем помехи, тем самым вызывая электромагнитные помехи. вызывают электромагнитные помехи). Среди них сигнал перекрестных помех, генерируемый конденсатором связи, можно разделить на прямые перекрестные помехи и обратные перекрестные помехи Sc в сети-жертве, и эти два сигнала имеют одинаковую полярность; сигнал перекрестных помех, генерируемый связанным индуктором, также делится на прямые перекрестные помехи и обратные перекрестные помехи Sc. Эти два сигнала имеют противоположную полярность. И взаимная емкость, и взаимная индуктивность связаны с перекрестными помехами, но их необходимо рассматривать отдельно. Когда обратный путь представляет собой широкую однородную плоскость, как в большинстве связанных линий передачи на печатной плате, количество емкостных и индуктивных токов связи примерно одинаково. В это время необходимо предсказать количество перекрестных помех между ними. Если среда параллельного сигнала фиксирована, то есть в случае полосковой линии, то прямые перекрестные помехи, вызванные связанными индуктивностью и емкостью, примерно равны и компенсируют друг друга, поэтому необходимо учитывать только обратные перекрестные помехи. . Если среда параллельного сигнала не фиксирована, то есть в случае микрополосковой линии, прямые перекрестные помехи, вызванные индуктивностью связи, больше, чем прямые перекрестные помехи, вызванные емкостью связи, с увеличением параллельной длины, поэтому перекрестные помехи внутреннего параллельного сигнала выше, чем у поверхностного слоя. Перекрестные помехи параллельных сигналов малы.

2. Анализ и подавление перекрестных помех печатных плат

Весь процесс проектирования высокоскоростной печатной платы включает в себя такие этапы, как проектирование схемы, выбор микросхемы, схематическое проектирование, компоновка печатной платы и проводка. Во время проектирования необходимо найти перекрестные помехи на разных этапах и принять меры для их подавления для достижения цели уменьшения помех.

3. Расчет перекрестных помех на печатной плате

Расчет перекрестных помех очень сложен. На амплитуду сигнала перекрестных помех влияют три основных фактора: степень связи между трассами, расстояние между трассами и окончание трасс. Распределение тока по микрополосковым дорожкам на прямом и обратном пути показано на рис. 2. Распределение тока между дорожками и плоскостями (или между дорожками и дорожками) является коимпедансным, что приведет к взаимной связи из-за растекания тока, при этом пиковая плотность тока непосредственно под центром дорожки и от дорожки. Обе стороны дорожки быстро затухают по направлению к земле. Когда дорожки находятся далеко от плоскости, площадь контура между прямым и обратным путями увеличивается, увеличивая индуктивность цепи пропорционально площади контура. Следующее уравнение описывает распределение тока, индуцирующего всю петлю, образованную прямым и обратным путями тока. Описываемый им ток также представляет собой полную энергию, запасенную в магнитном поле вокруг сигнальной дорожки.

4. Анализ перекрестных помех печатной платы

Использование инструментов EDA для имитации перекрестных помех печатной платы позволяет быстро найти, определить местонахождение и решить проблему перекрестных помех в реализации печатной платы. Моделирование в высокоскоростном проектировании включает схематическое моделирование перед трассировкой и моделирование печатной платы после трассировки. Он может использовать ограничения, полученные в результате моделирования, в качестве фактических ограничений маршрутизации, чтобы прогнозировать и устранять проблемы перекрестных помех на более раннем этапе, тем самым эффективно ограничивая компоновку и изменения. Стекирование и оптимизация тактирования, критической топологии сигналов и оконечной нагрузки до компоновки платы. BoardSim предназначен для моделирования после размещения и разводки, он может прогнозировать неизвестные эффекты связи между проводами платы печатной платы, отображать результаты моделирования на осциллографе и отображать подробные сведения обо всех формах перекрестных помех. Его цель состоит в том, чтобы предсказать и обнаружить проблему перекрестных помех фактического готового продукта, тем самым экономя время проектировщика и избегая повторного проектирования и изготовления принципиального прототипа. Для моделирования до компоновки LineSim необходимо сначала создать базовую модель связи и установить различные ограничения для различных схемных сред, включая расстояние между проводами, параллельную длину, скорость переключения микросхемы драйвера, среднюю толщину, структуру стека и т. д. Эти ограничения позволяют разработчикам понять, где могут возникнуть проблемы на раннем этапе проектирования, чтобы эффективно планировать, уменьшить перекрестные помехи, которые могут возникнуть до размещения и трассировки, и найти ограничения в качестве ограничений для следующего шага размещения и трассировки. Что касается выбора чипа драйвера, может быть введена модель IBIS (спецификация информации о входном/выходном буфере), которая обычно предоставляется производителями чипов. Существует три способа использования BoardSim для анализа перекрестных помех в проводке: интерактивное моделирование перекрестных помех, быстрая пакетная обработка и подробная пакетная обработка. Среди них интерактивное моделирование перекрестных помех позволяет визуально наблюдать за помеховой ситуацией с помощью цифрового осциллографа. Здесь представлены понятия геометрического порога и электрического порога. Геометрический порог будет определять определенную область, и любая сеть, которая входит в эту область и имеет определенную длину, считается атакующей сетью; электрический порог будет определять уровень помех, и любая сеть, которая создает помехи для сети сверх этого уровня, считается атакой. сеть. Использование геометрических порогов требует от проектировщика определенного понимания перекрестных помех и знания того, сколько перекрестных помех будет генерироваться на каком расстоянии и на каком слое. Поэтому обычно рекомендуется использовать электрические пороги, которые являются более точными и быстрыми для анализа. Базовая модель имеет две сети: драйвер A0 (линия возбуждения — это линия тактового сигнала, а его рабочая частота — 5,12 MSPS), которая подключена к резистору C0 мощностью 1 МОм через линию передачи; драйвер A1 в режиме приема подключен к резистору C1 на 720кВ через линию передачи. начальство. Характеристическое сопротивление каждой связанной линии передачи составляет 68,8 Вт, а длина соединения составляет 9 дюймов. HyperLynx вычисляет задержку на строку примерно в 1,581 нс. Модель разделена на 8 слоев, а две сигнальные линии установлены как линии внутреннего слоя (и микрополосковые линии) и находятся на одном слое. В ограничениях компоновки и трассировки печатной платы ширина линии составляет 5 мил, расстояние между линиями составляет 5 мил, а относительная диэлектрическая проницаемость установлена на 4,3. На рисунке щупы осциллографа добавлены к точкам A0, B1 и C1 соответственно. Осциллограф можно использовать для просмотра формы сигнала. Сопротивление 10 МОм B1 также установлено для добавления зондов.

5. Подавление перекрестных помех

Будь то расчет перекрестных помех перед проектированием, моделирование перед разводкой и разводкой или моделирование после разводки и разводки, все это необходимо для того, чтобы печатная плата могла быстро достигать помех. Поэтому необходимо использовать предыдущий опыт в процессе проектирования для решения текущей задачи. Ниже приводится сводка опыта по эффективному предотвращению перекрестных помех при компоновке и маршрутизации:

1) перекрестные помехи, создаваемые емкостной и индуктивной связью, увеличиваются с увеличением импеданса нагрузки линии, в которой возникают помехи, поэтому снижение нагрузки может снизить влияние помех связи;

2) Попробуйте увеличить расстояние между проводами емкостной связи, которые могут возникнуть, и более эффективно изолировать провода заземляющим проводом;

3) Вставка заземляющего провода между соседними сигнальными проводами также может эффективно уменьшить емкостные перекрестные помехи. Этот заземляющий провод должен быть подключен к заземляющему слою через каждые 1/4 длины волны.

4) Трудно подавить индуктивную связь. Необходимо максимально уменьшить количество шлейфов, уменьшить площадь шлейфа и не допускать, чтобы сигнальные шлейфы делили один и тот же провод.

5) Избегайте петель совместного использования сигнала.

В процессе проектирования высокоскоростных печатных плат требуется не только детальное понимание теоретических концепций, но и постоянное накопление опыта и постоянное совершенствование теории. В то же время умелое использование соответствующего вспомогательного программного обеспечения также может сократить цикл проектирования, тем самым повышая конкурентоспособность и играя важную роль в успешном завершении проектирования. Проектирование высокоскоростной печатной платы на уровне платы и на уровне системы — сложный процесс, и нельзя игнорировать проблемы целостности сигнала, включая перекрестные помехи. Используйте разные методы на разных этапах цикла проектирования, чтобы гарантировать быстрое и эффективное завершение проектов, экономя время и избегая дублирования на печатных плат.