Высокая скорость и высокая плотность постепенно стали одной из важных тенденций развития многих современных электронных продуктов, а технология проектирования высокоскоростных и высокоплотных печатных плат стала важной областью исследований.
По сравнению с традиционным проектированием печатных плат, проектирование высокоскоростных и высокоплотных печатных плат имеет ряд ключевых технических проблем, и необходимо разработать новые методы проектирования. Существует множество теоретических и технических вопросов, требующих глубокого изучения. В то же время, требования к высокоскоростным и высокоплотным печатным платам становятся все выше и выше, что заставляет проектирование высокоскоростных и высокоплотных печатных плат продолжать сталкиваться с новыми проблемами; постоянное появление большого количества результатов соответствующих исследований способствовало непрерывному развитию технологии проектирования высокоскоростных и высокоплотных печатных плат. В этой статье представлены ключевые технические вопросы проектирования высокоскоростных и высокоплотных печатных плат (целостность сигнала, целостность питания, ЭМС/ЭМ I и тепловой анализ) и новые разработки в соответствующих технологиях EDA, а также обсуждаются некоторые важные тенденции в проектировании высокоскоростных и высокоплотных печатных плат.
Ключевые технические вопросы
Ключевые технические вопросы проектирования высокоскоростных и высокоплотных печатных плат в основном включают целостность сигнала (SI), целостность питания (PI), ЭМС/ЭМ I и тепловой анализ.
Целостность сигнала
Целостность сигнала в основном относится к качеству сигнала, передаваемого по сигнальной линии. 1 Если сигнал схемы может достигать выводов приемной микросхемы с требуемым временем, длительностью и амплитудой напряжения, то схема имеет хорошую целостность сигнала. Когда сигнал не может нормально реагировать или качество сигнала не позволяет системе стабильно работать в течение длительного времени, возникает проблема целостности сигнала. Проблемы целостности сигнала в основном проявляются в виде: задержки, отражения, перегрузки, звона, перекрестных помех, синхронизации, синхронного коммутационного шума, EM I и т.д.
Проблемы целостности сигнала напрямую приводят к искажению сигнала, ошибкам синхронизации, неправильным данным, адресам и управляющим сигналам, что приводит к ошибкам или даже параличу системы. Как правило, для цифровых микросхем уровень выше V IH является логической 1, а уровень ниже V IL - логическим 0, а уровень между VIL и VIH - неопределенным состоянием. Для цифровых сигналов со звонком, когда уровень колебаний попадает в зону неопределенности VIL ~ VIH, могут возникнуть логические ошибки. Передача цифровых сигналов должна иметь правильную синхронизацию. Цифровые микросхемы общего назначения требуют, чтобы данные были стабильны до tsetup фронта запуска тактового генератора, чтобы обеспечить правильную логическую последовательность. Если время задержки передачи сигнала слишком велико, правильная логика может быть не получена по нарастающему или спадающему фронту тактового генератора, что приведет к ошибкам синхронизации.
Причины проблем с целостностью сигнала более сложны. Параметры компонентов, параметры печатной платы, расположение компонентов на печатной плате и разводка высокоскоростных сигналов - все это важные факторы, влияющие на целостность сигнала. Целостность сигнала - это системная проблема, и при исследовании и решении проблем целостности сигнала необходимо использовать системную точку зрения.
Относительно говоря, люди прошли через десятилетия исследований проблем целостности сигнала, получили много важных теоретических и технических результатов и накопили богатый опыт. Многие технологии обеспечения целостности сигнала уже относительно развиты и широко используются.
Целостность питания
Целостность питания в основном относится к высокоскоростной системе, системе распределения питания (система распределения питания, PDS) на разных частотах, характеристики импеданса отличаются, так что напряжение между слоем питания и слоем земли на печатной плате не везде одинаково на печатной плате, в результате чего питание прерывается, что приводит к шуму питания, что делает чип не в состоянии работать нормально. В то же время, из-за высокочастотного излучения проблемы с целостностью питания также приведут к проблемам ЭМС/ЭМ I. В высокоскоростных низковольтных схемах шум источника питания особенно серьезен.
Предложение о целостности по питанию возникло из-за огромной ошибки, вызванной анализом целостности сигнала на основе моделей проводки и устройств без учета влияния питания.
Относительно говоря, исследования целостности питания начались поздно, а теоретические исследования и технические средства недостаточно развиты. Это одна из самых больших проблем при проектировании высокоскоростных и высокоплотных печатных плат. В настоящее время для минимизации негативных последствий, вызванных проблемами целостности питания, в основном принимаются некоторые общие меры. Основными мерами являются оптимизация структуры печатной платы, компоновки и дизайна проводки, а также соответствующее увеличение развязывающих конденсаторов. Когда частота системы не превышает 300-400 МГц, уменьшить влияние проблем с целостностью питания можно, установив подходящий конденсатор в соответствующее положение. Однако, когда частота системы выше, развязывающий конденсатор малоэффективен. В этом случае уменьшить влияние проблем с целостностью питания можно только путем оптимизации конструкции печатной платы.
ЭМС
ЭМС (электромагнитная совместимость) обычно определяется как: «Способность устройства или системы нормально работать в электромагнитной среде и не создавать невыносимых электромагнитных помех для чего-либо в этой среде». Это также определяется как: «Исследования ограничены. В условиях ограниченного пространства, ограниченного времени и ограниченных ресурсов спектра различное электрооборудование (подсистемы, системы и биологические объекты в широком смысле) может сосуществовать, не вызывая деградации.»
ЭМС в основном изучает два аспекта: ЭМ I (электромагнитные помехи) и ЭМС (электромагнитная восприимчивость). Генерация ЭМ I вызвана источником электромагнитных помех, передающим энергию чувствительной системе по пути связи. Она включает в себя три основные формы: проводимость по проводам и общей земле, излучение через пространство или связь через ближнее поле.
ЭМС электронных изделий очень важна. В настоящее время во многих странах и регионах действуют строгие и полные стандарты ЭМС. Все больше и больше электронных продуктов должны пройти соответствующие испытания и сертификацию на ЭМС, прежде чем они смогут выйти на рынок. Более того, с ухудшением электромагнитной обстановки требования к ЭМС электронных продуктов будут становиться все выше и выше.
Относительно говоря, проблема ЭМС является самой сложной. При уменьшении времени нарастания (нарастания или спада) с 5 нс до 2,5 нс ЭМ I увеличится примерно в 4 раза. Ширина спектра ЭМ I обратно пропорциональна времени нарастания. Интенсивность излучения ЭМ I пропорциональна квадрату частоты. Диапазон частот этого типа излучения ЭМ I составляет от десятков МГц до нескольких ГГц. Длины волн, соответствующие этим высоким частотам, очень коротки, и короткие соединительные линии на печатной плате или даже соединительные линии в микросхеме могут стать эффективными передающими или приемными антеннами, что может вызвать серьезные проблемы ЭМС. Генри Отт, президент компании Henry Ott Consulting, в своей программной речи на конференции PCB Design Conference-East подчеркнул: «В эпоху высокоскоростного проектирования разработчики печатных плат столкнутся с проблемами, если не узнают больше о вопросах ЭМС. Много неожиданных проблем». «Поскольку скорость проектирования становится все выше, а беспроводное проектирование получает все большее распространение, ЭМС станет еще более сложной задачей.»
В связи со сложностью ЭМС и растущими требованиями современных электронных изделий к ЭМС, технология ЭМС будет важной областью, требующей длительных исследований. В настоящее время для предотвращения и решения проблем ЭМС в основном используются некоторые общие правила ограничения конструкции печатной платы. Однако конкретное использование этих правил и эффект должны быть детально проанализированы, что в значительной степени зависит от теоретического уровня и практического опыта проектировщика.