Misverstanden en strategieën over high-speed PCB-ontwerp

Wat betreft elektronische systemen met hoge snelheid, leidt het succes van het ontwerp van printplaten rechtstreeks tot de hoge probleemoplossing in het Electro Magnetic Compatibility (EMC)-systeem, zowel in theorie als in de praktijk. Om de EMC-standaard te bereiken, staat het high-speed PCB-ontwerp voor grote uitdagingen, dus high-speed PCB-ontwerpers moeten de traditionele ontwerpfilosofie en benaderingen in hun ontwerpproces verlaten. Deze passage analyseert voornamelijk de misverstanden en strategieën in het proces van high-speed PCB-ontwerp vanuit het perspectief van de praktijk.

Diëlektrische constante van high-speed PCB-materiaal

Tot nu toe zijn er hoofdzakelijk drie ontwerptechnieken in termen van high-speed PCB-ontwerp:ruis en vertraagde PCB-grafiekontwerptechniek, impedantie- en voortplantingsvertragingstijdcontroletechniek en evaluatietechniek met PCB-impedantie als parameters waaronder de laatste twee soorten technieken vormen het hart van de fabricage van PCB's. Er zijn ook veel technieken voor high-speed PCB-fabricagetransmissies en de veelgebruikte basisstructuren zijn microstrip en striplijn. Wat betreft high-speed PCB-transmissielijnen, Z₀ dat is de impedantieparameter en t_pd dat wil zeggen de vertragingstijd van de voortplanting zijn de belangrijkste variabelen. Als de structuur van microstrip anders is dan die van striplijn, zal de berekeningsformule ook anders zijn. In ieder geval is de impedantie altijd de geometrische structuur van de transmissielijn. In de meeste situaties wordt de diëlektrische constante van een deel van het PCB-materiaal beïnvloed door frequentie, oppervlaktewaterabsorptiesnelheid, temperatuur en elektrische kenmerken. Voor tweelaagse of meerlaagse PCB's wordt hun diëlektrische constante beïnvloed door het aandeel hars en silicium in het PCB-materiaal.

Tegenwoordig is FR4 het meest gebruikte PCB-materiaal. Gewoonlijk geven leveranciers van PCB-materiaal de waarden van de diëlektrische constante aan op basis van welke projecttechnici het materiaal zullen gebruiken. In de praktische toepassingen worden de waardeparameters meestal verkregen onder de situatie van 1 MHz, terwijl in termen van hogesnelheidssituaties de diëlektrische constante duidelijke veranderingen heeft, zoals weergegeven in figuur 1.

De drie curven in figuur 1 verwijzen naar de verschillende verhoudingen van silicium en hars. Van de drie curven is curve A de hoogste, B medium en C de laagste. Zodra operators het verschil niet opmerken, kan er een grote afwijking optreden tussen berekeningen of simulatieresultaten en praktische situaties met betrekking tot impedantie en voortplantingsvertragingstijd, wat van invloed zal zijn op het ontwerp van de signaalintegriteit van het snelle systeem.

Probleem 90° hoek

In de meeste documenten moet een hoek van 90° worden vermeden bij het routeren van PCB's, omdat dit mogelijk zal leiden tot discontinuïteit van de impedantie en elektromagnetische interferentie (EMI)-straling. Vanuit het perspectief van theorie is de breedteverandering van een hoek van 90° relatief groot, wat resulteert in de grote impedantie en ernstige impedantiediscontinuïteit. Vanuit het perspectief van de praktijk heeft de elektromagnetische kracht de neiging zich te verzamelen op de hoek van de routering en hoe spitser de hoek is, hoe meer kracht er wordt verzameld. Op basis van de bovenstaande analyse wordt de EMI-straling het meest uitpuilend bij een hoek van 90°.

Maar sommige onderzoekers vinden dat de invloed van een hoek van 90° op de impedantie binnen 10% ligt. Voor de routeringsbreedte van 6 mil, als het een sleutellengte wordt, ligt deze in het THz-bereik. Er kan dus worden geschat dat een hoek van 90° in de praktijk zeker tot impedantiediscontinuïteit zal leiden.

Daarom is het bij de praktische PCB-routering, in ieder geval binnen het GHz-bereik, niet nodig om tegen betaling een hoek van 90° te vermijden.

20-H-principes

Sinds het verschijnen van 20-H-principes door KNG, is dit geaccepteerd als het belangrijkste principe voor het ontwerpen van hoge snelheidsprints. Zelfs sommige onderzoekers geven aan dat dit principe in staat is om de elektromagnetische dichtheid van de omgeving op betreffende PCB-lagen met ongeveer 70% te verminderen. Bovendien speelt het ook een effectieve rol bij het verminderen van de uitwendige EMI-straling. Veel experimenten ondersteunen de verwachtingen van de onderzoekers echter niet.

Sommige experimenten geven aan dat voor tweelaagse PCB's het 20-H-principe tot ernstigere straling leidt, terwijl voor meerlaagse PCB's het gebruik van het 20-H-principe in de binnenste mediumlaag geen duidelijke verbetering oplevert.

Filtercapaciteitsparameters

Filtercapaciteit is een geteste effectieve en economische meting die wordt gebruikt om EMC-problemen in het elektronische systeem op te lossen. Een elektronisch systeem met hoge snelheid stelt echter nieuwe eisen aan de prestaties en het toepasselijke ontwerp van filtercapaciteit. De vereenvoudigde module van filtercapaciteit wordt getoond als figuur 2.

Het moet aan de volgende eis voldoen:Z_C S // Z_L (Z_C =1/2πfC). Een veelvoorkomend misverstand geeft aan dat zolang Z_C is kleiner dan Z_L , kan het doel van filtercapaciteit worden bereikt. In feite kunnen parameters van filtercapaciteit niet worden bepaald tenzij de waarden van Z_S en Z_L zijn beslist.

In een hogesnelheidscircuit is echter geen van beide Z_S noch Z_L is pure weerstand, die complexe waarden nodig heeft. Ondertussen Z_C is geen pure capaciteit in het hogesnelheidscircuit en er moet rekening worden gehouden met zowel equivalente serieweerstand als equivalente serie-inductantie. Dit zijn allemaal moeilijkheden bij het toepassen van filtercapaciteit in het elektronische systeem met hoge snelheid. Zodra ontwerpers deze aspecten negeren, zullen er duidelijke verschillen optreden tussen berekeningen of simulatieresultaten en de praktijk.

Siliciumverpakking

PCB-ontwerpers hebben de neiging om de meeste aandacht te besteden aan de lay-out van PCB's en onderlinge verbindingen tussen de componenten op PCB's en negeren het belang van de verpakking van componenten. In feite zal dit mogelijk serieuze resultaten opleveren voor het ontwerpen van PCB's met hoge snelheid. Siliciumverpakking heeft invloed op de prestaties van silicium door de parasitaire inductantie, parasitaire weerstand en parasitaire capaciteit die door de verbindingslijnen en lood gaat. Deze parameters genereren ruis, communicatievertraging, edge rate en frequentierespons. De parasitaire parameters van verschillende verpakkingen verschillen mogelijk sterk. Voor het silicium met hetzelfde circuit en verschillende verpakkingen vertonen hun prestaties verschillende kenmerken.

In feite zijn voor elektronische systemen met hoge snelheid, siliciumontwerp, verpakkingsontwerp en ontwerp op bordniveau nooit onafhankelijk van elkaar. Voor de ontwerpstroom op silicium dient een geschikte verpakking conform PCB te worden afgehaald. De algehele lay-out van siliciumontwerp wordt zowel beïnvloed door technieken als door elementen op bordniveau. Voor de siliconenverpakking is de afstemming met PCB een element waarmee rekening moet worden gehouden. Wat belangrijker is, is dat een passend pakket enorm helpt in termen van integriteit van boardniveau en EMC/EMI-problemen. Daarom mogen siliconenverpakkingen nooit worden genegeerd of veracht.

Common-mode huidige stralingsinterferentie

In de signaaltransmissiekabels van PCB's bestaat differentiële modusstroom die nuttige signalen verzendt en common-modestroom zonder nuttige informatie, die beide EMI-straling genereren.

Vanwege de relatief hoge stroomsterkte is differentiële modusstroom benadrukt door circuitontwerpers met de vorming van theorie en technieken die de differentiële modusstroom EMI-straling beheersen. Als gevolg hiervan hebben sommige EDA-tools functies van differentiële modus huidige EMI-stralingssimulatie en -voorspelling. Vergeleken met differentiële modusstroom is de common-modestroom echter veel minder, wat er gemakkelijk toe leidt dat de ontwerpers onwetend zijn over de common-mode huidige EMI-straling.

Desalniettemin is volgens recent onderzoek, hoewel common-mode stroom veel kleiner is dan differential-mode stroom, de EMI-stralingsinterferentie die door de eerste wordt gegenereerd veel groter dan die door de laatste. Tot nu toe is common-mode huidige EMI-straling een van de belangrijkste interferentiebronnen van straling op geavanceerde high-speed printplaten geworden. Erger nog, het genereren van common-mode huidige EMI-straling heeft gecompliceerde redenen en noch simulatie noch voorspelling kan worden bereikt. Bovendien is het onderzoek naar het beheersen van common-mode huidige EMI-straling nog steeds onderweg.

Daarom is het bij het ontwerpen van high-speed PCB onbetrouwbaar om EMI-straling te simuleren en te voorspellen op basis van alleen differentiële modus huidige EMI-straling.

Handige bronnen
• Tips voor snelle lay-out
• Technieken voor snelle PCB-routering om de invloed van EMI te verminderen
• Onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp in ingebed applicatiesysteem
• Differentiële isometrische verwerking en simulatieverificatie van high-speed PCB-ontwerp
• Beeldvlakken ontwerpen voor high-speed PCB's
• High-speed PCB-ontwerpuitdagingen voor signaalintegriteit en hun oplossingen
• Onderdrukking Methode van signaalreflectie in high-speed PCB-lay-out
• Signaalintegriteitsanalyse en PCB-ontwerp op high-speed digitaal-analoog gemengd circuit
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-montageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk