Технология PCB - Четыре аспекта, на которые следует обратить внимание при проектировании высокоскоростных плат

В этой статье объясняется, как изменения в процессе приводят к изменению фактического сопротивления и как использовать точные полевые решения для прогнозирования этого явления. Даже без технологических изменений другие факторы могут привести к очень разным фактическим сопротивлениям. При проектировании высокоскоростных плат автоматизированные инструменты проектирования иногда не могут обнаружить эту неочевидную, но очень важную проблему. Однако этой проблемы можно избежать, если принять некоторые меры на ранних этапах проектирования. Эта технология называется « дизайн обороны».

Количество стеков

Хорошая многослойная структура - лучшая мера предосторожности для решения большинства проблем целостности сигнала и EMC, а также проблем, которые больше всего неправильно понимаются. Здесь работает несколько факторов, и хороший способ решения одной проблемы может усугубить другие. Многие поставщики систем предлагают иметь по крайней мере одну непрерывную плоскость в платах для управления характеристическим сопротивлением и качеством сигнала. Это хорошее предложение, если расходы будут доступными. Консультанты EMC часто рекомендуют размещение наземного наполнителя или заземления на внешнем слое для контроля электромагнитного излучения и чувствительности к электромагнитным помехам. При определенных условиях это также хороший совет.

Рисунок 1: Анализ сигналов в слоистой структуре с помощью конденсаторных моделей

Однако из - за переходного тока этот метод может быть проблематичным в некоторых распространенных конструкциях. Во - первых, давайте рассмотрим простую ситуацию с парой плоскостей питания / заземления: ее можно рассматривать как конденсатор. Можно предположить, что силовой слой и заземление являются двумя пластинами конденсатора. Чтобы получить большую емкость, необходимо переместить две пластины ближе (на расстояние D) и увеличить диэлектрическую константу (λ ½). Чем больше емкость, тем ниже сопротивление, и это именно то, что мы хотим, потому что он может подавлять шум. Независимо от того, как расположены другие слои, основной слой питания и заземление должны быть прилегающими и расположены посередине стека. Если расстояние между силовым слоем и заземлением больше, это может привести к более крупным электрическим контурам и вызвать много шума. Для 8 - слоистой пластины размещение слоя питания с одной стороны и заземления с другой стороны может привести к следующим проблемам:

1. Максимальное каскадное возмущение. Из - за увеличения взаимной емкости последовательные помехи между сигнальными слоями больше, чем последовательные помехи самого слоя.

2. Наибольший тираж. Электрический ток течет вокруг каждой плоскости питания и параллельно сигналу, и большое количество тока поступает в основную плоскость питания и возвращается через плоскость заземления. Из - за увеличения циркуляционного тока характеристики EMC ухудшатся.

Потеря контроля над сопротивлением. Чем дальше сигнал находится от контрольного слоя, тем ниже точность управления сопротивлением из - за других окружающих его проводников.

4. Поскольку легко вызвать короткое замыкание припоя, это может увеличить стоимость продукта.

Мы должны сделать выбор между производительностью и стоимостью, так как организовать цифровые платы, чтобы получить наилучшие характеристики SI и EMC?

Распределение каждого слоя PCB обычно симметрично. Не следует размещать два или более сигнальных слоя рядом друг с другом; В противном случае контроль над СИ будет в значительной степени потерян. Лучше поместить внутренний сигнальный слой в парах симметрично. Если некоторые сигналы не требуют проводки к устройству SMT, мы должны свести к минимуму проводку сигнала на внешнем слое.

Рисунок 2: Первым шагом к хорошему дизайнерскому решению является правильное проектирование ламинарной структуры

Для монтажных плат с большим количеством слоев мы можем повторить этот метод размещения несколько раз. Можно также добавить дополнительные уровни мощности и заземления; Просто убедитесь, что между двумя уровнями мощности нет пары сигнальных слоев.

Линия высокоскоростного сигнала должна быть размещена в одном и том же сигнальном слое; За исключением случаев, когда этот принцип должен быть нарушен из - за подключения устройства SMT. Все следы сигнала должны иметь общий путь возврата (т.е. плоскость заземления). Есть две идеи и способы определить, какие два слоя можно считать парами:

Обеспечить, чтобы обратный сигнал на равном расстоянии был идентичным. Это означает, что сигналы должны быть симметричными по обе стороны внутренней плоскости заземления. Преимуществом этого является легкость управления сопротивлением и циклическим током; Недостатком является то, что в заземлении много перфораций и есть некоторые бесполезные слои.

2. два сигнальных слоя соседней проводки. Преимущество заключается в том, что перфорация в заземлении может быть сведена к минимуму (с использованием отверстия для погребения); Недостатком является то, что для некоторых ключевых сигналов эффективность этого метода снижается.

Во втором случае заземление, используемое для привода и приема сигнала, должно предпочтительно соединяться непосредственно с слоем, прилегающим к слою проводки сигнала. В качестве простого принципа проводки ширина поверхностной проводки в дюймах должна быть меньше одной трети времени подъема привода в наносекундах (например, ширина высокоскоростной проводки TTL составляет 1 дюйм).

Если они питаются несколькими источниками питания, необходимо проложить заземление между линиями питания, чтобы разделить их. Конденсаторы не могут быть сформированы, чтобы избежать связи AC между источниками питания.

Все эти меры направлены на уменьшение циркуляции и последовательных помех и повышение способности к управлению сопротивлением. Плотность заземления также создаст эффективную « защитную коробку» EMC. С учетом воздействия на характеристическое сопротивление неиспользованная площадь поверхности может быть превращена в заземление.

характеристическое сопротивление

Хорошая многослойная структура может эффективно управлять сопротивлением, а проводка может формировать понятную и предсказуемую структуру линии передачи. Инструменты полевых решений хорошо справляются с такими проблемами, и достаточно точные результаты могут быть получены при минимальном количестве переменных.

Однако, когда три или более сигналов накладываются друг на друга, это не обязательно так по деликатным причинам. Значение сопротивления цели зависит от технологии оборудования. Высокоскоростная технология CMOS обычно может достигать около 70 э. Высокоскоростные устройства TTL обычно могут достигать от 80 до 100 островов. Поскольку значение сопротивления обычно оказывает большое влияние на допустимый уровень шума и переключение сигнала, необходимо быть очень осторожным при выборе сопротивления; Руководство по продуктам должно содержать руководящие указания по этому вопросу.

Предварительные результаты использования инструмента полевых решений могут столкнуться с двумя проблемами. Во - первых, проблема ограниченного видения. Инструменты полевых решений анализируют только влияние близлежащих трасс, не принимая во внимание непараллельные линии, которые влияют на сопротивление на других слоях. Инструменты полевых решений не могут знать детали до проводки, то есть при распределении ширины линии следа, но вышеупомянутый метод парного расположения может свести эту проблему к минимуму.

Стоит отметить влияние локальной плоскости мощности. После проводки внешние платы часто заполняются заземленной медной проволокой, что помогает подавлять EMI и балансировать гальваническое покрытие. Если такая мера будет применяться только к внешнему слою, влияние многослойной структуры, рекомендованной в этой статье, на характеристическое сопротивление будет очень небольшим.

Эффект от использования большого количества соседних сигнальных слоев очень заметен. Некоторые инструменты полевых решений не могут обнаружить наличие медной фольги, так как она может проверять только печатные линии и весь слой, поэтому результаты анализа сопротивления неверны. Когда на соседнем слое есть металл, это похоже на менее надежный заземленный слой. Если сопротивление слишком низкое, мгновенный ток будет большим, это практичная и чувствительная проблема EMI.

Еще одной причиной отказа инструмента анализа сопротивления является распределенный конденсатор. Эти аналитические инструменты, как правило, не отражают эффекты выводов и перфораций (которые обычно анализируются с помощью симуляторов). Этот эффект может быть очень значительным, особенно на задней панели. Причина проста: характеристическое сопротивление обычно можно рассчитать по следующей формуле:

Из них L и C являются индуктивными и конденсаторными соответственно на единицу длины.

Если штыри расположены равномерно, дополнительная емкость сильно повлияет на результаты вычислений. Формула будет следующей: AL / (C + C ')

C - это емкость выводов на единицу длины.

Если соединитель соединен по прямой, как и задняя панель, можно использовать общую линейную емкость и общую емкость выводов (за исключением первого и последнего). Таким образом, эффективное сопротивление снизится, возможно, даже с 80 до 8 островов. Чтобы найти действительное значение, необходимо разделить исходное значение сопротивления на: (1 + C '/ C)

Этот расчет очень важен для выбора компонентов.

Задержка

При моделировании следует учитывать емкость компонентов и упаковки (а иногда и индуктивность). Необходимо обратить внимание на две проблемы: во - первых, симулятор не может правильно имитировать распределенный конденсатор; Во - вторых, обратите внимание на влияние различных условий производства на неполные слои и непараллельные маршруты. Многие инструменты полевых решений не могут анализировать распределение стека без полной мощности или заземления. Однако, если есть заземление, прилегающее к сигнальному слою, то расчетная задержка будет довольно плохой, например, конденсатор, и будет самая большая задержка; Это было бы еще хуже, если бы на обоих этажах двухсторонней пластины было много наземных линий и медной фольги VCC. Если этот процесс не будет автоматизирован, установка этих вещей в системе CAD будет очень запутанной.

ЭМС

Существует множество факторов, влияющих на ЭМС, многие из которых обычно не анализируются. Даже если они были проанализированы, часто было слишком поздно после завершения проектирования. Вот некоторые факторы, влияющие на EMC:

Пробелы в плоскости мощности образуют антенну на четверть длины волны. В тех случаях, когда необходимо установить канавки на металлическую тару, следует использовать метод бурения.

2. Элементы индуктивности. Я встретил дизайнера, который следовал всем правилам проектирования и моделировал, но его платы все еще имеют много радиационных сигналов. Причина в том, что на верхнем этаже есть два индуктора, расположенных параллельно друг другу, чтобы сформировать трансформатор.

3. Из - за влияния неполной плоскости заземления низкое внутреннее сопротивление приводит к большому переходному току во внешнем слое.

Большинство из этих проблем можно избежать с помощью защитных конструкций. Во - первых, необходимо разработать правильную структуру укладки и стратегию проводки, чтобы иметь хорошее начало.

Здесь не рассматриваются некоторые фундаментальные вопросы, такие как топология сети, причины искажения сигнала и методы вычисления последовательных помех; Анализируйте только некоторые чувствительные вопросы, чтобы помочь читателю применить результаты, полученные от системы EDA. Любой анализ зависит от используемой модели, и на результат влияют факторы, которые не были проанализированы. Слишком сложный, как слишком неточный. Избежание слишком большого количества изменений параметров (например, ширина линии печати и т. Д.) поможет сделать дизайн аккуратным и последовательным.