Tips voor snelle lay-out

De meeste PCB-ontwerpen beginnen met een correct en geverifieerd schema in de hand. Vervolgens moet het harde werk worden gedaan om het schematische ontwerp om te zetten in een definitieve PCB. Heel vaak zal de PCB niet werken, ook al is het oorspronkelijke circuitontwerp met zorg uitgevoerd. Zelfs als een schema is geverifieerd met behulp van een simulatie, houdt de simulatie van het ontwerp geen rekening met het feit dat de details van de PCB-lay-out onvoorziene bronnen van fouten in een ontwerpimplementatie kunnen invoegen. Dit geldt met name als het gaat om het gebruik van nieuwere en snellere componenten met de bijbehorende hogere kloksnelheden in een ontwerp. Bovendien nemen de gegevensoverdrachtsnelheden tussen apparaten ook voortdurend toe en zijn onderhevig aan dezelfde soorten foutbronnen. Deze snelheidsverhogingen zorgen voor kleine capaciteits- en inductantiewaarden die inherent zijn aan PCB-lay-outs, waardoor de PCB-implementatie van een ontwerp mislukt.

Naast ervoor te zorgen dat een PCB functioneel is, zijn aanvullende eisen met betrekking tot uw ontwerptolerantie voor uitgestraalde ruis en de hoeveelheid uitgestraalde ruis die het bijdraagt ​​van groot belang om een ​​definitief ontwerp goedgekeurd te krijgen. Daarom moet bij het ontwikkelen van uw volgende PCB-toepassing die signalen met hoge snelheid bevat, grote zorg worden besteed aan het verminderen van problemen met elektromagnetische interferentie.

Voorbeelden van hogesnelheidssignalen zijn kloksignalen en hogesnelheidscommunicatiepoorten. Met enkele eenvoudige regels kunnen de signaalintegriteit en elektromagnetische interferentieniveaus van uw volgende ontwerp worden verbeterd - er zijn geen complexe wiskundige modellen of ingewikkelde en dure simulatietools nodig. Dit artikel presenteert een aantal van deze eenvoudige regels die kunnen worden gevolgd om het succes van uw volgende ontwerp met hogesnelheidssignalen te verzekeren.

Achtergrond

In deze sectie zullen we enkele bronnen van lay-outfouten met hoge snelheid en gerelateerde concepten bespreken, en in de volgende sectie zullen algemene regels worden gegeven om deze bronnen van fouten te verminderen.

1. Elektromagnetische interferentie en elektromagnetische compatibiliteit

Elektromagnetische interferentie is radiofrequentieruis die de werking van een apparaat verstoort. Aan de andere kant verwijst elektromagnetische compatibiliteit naar het beperken van de niveaus van elektromagnetische interferentie die een apparaat uitzendt. Alle apparaten zenden een bepaalde mate van elektromagnetische interferentie uit en absorberen tegelijkertijd een bepaalde hoeveelheid elektromagnetische interferentie. Het doel van een PCB-ontwerper zou moeten zijn om beide hoeveelheden tot redelijke niveaus te verminderen. Het is ook opmerkelijk dat er vastgestelde FCC- en CISPR-normen zijn voor het EMI-niveau dat apparaten mogen uitstralen.

2. Kloksignalen

Kloksignalen, die gewoonlijk worden gebruikt om microprocessors en communicatiepoorten aan te sturen, zouden een perfecte blokgolf moeten zijn, maar dat is in werkelijkheid niet het geval. Ze zijn in feite een combinatie van signalen op de nominale klokfrequentie en de harmonische frequenties boven de klokfrequentie. Als zodanig moet de EMI worden beschouwd op zowel de frequentie van de klok die in een ontwerp wordt gebruikt als de harmonischen van de klokfrequentie boven de nominale klokfrequentie.

3. Transmissielijnen

Bij hogere frequenties beginnen transmissielijneffecten zelfs op printplaatniveau een rol te spelen. Wanneer de frequentie van een signaallijn ervoor zorgt dat het signaal een golflengte heeft in de orde van grootte van het bijbehorende PCB-spoor, moet rekening worden gehouden met de karakteristieke impedantie van het spoor om reflecties als gevolg van impedantiemismatches te voorkomen. In de meest algemene zin moet de PCB-ontwerper de tijd nemen om de impedantie aan te passen van de sporen die zijn gekoppeld aan de transceivers die deze sporen verbinden. Het gebruik van een microstrip (een spoor met een gedefinieerde breedte over een vermogensvlak) of een striplijn (een spoor met een gedefinieerde breedte tussen twee vermogensvlakken) zijn gebruikelijke manieren om de impedantie van een transmissielijn op PCB-niveau te regelen.

Het is ook gebruikelijk dat zendontvangers hoge impedantie-ingangen hebben. In dit geval moet het verbindingsspoor worden beëindigd op een manier die overeenkomt met de karakteristieke impedantie van de transmissielijn waarmee het is verbonden. Er zijn verschillende algemene beëindigingstechnieken, maar het onderzoeken ervan wordt aan de lezer overgelaten, aangezien ze buiten het bestek van dit artikel vallen.

4. Overspraak

Wanneer twee sporen zich naast elkaar bevinden, zijn ze inductief en capacitief gekoppeld (gewoonlijk overspraak genoemd) op een manier waardoor de een de werking van de ander in gevaar kan brengen. De meest eenvoudige manier om dit soort ruis te elimineren, is door de sporen over een grotere afstand te scheiden. Crosstalk kan ook worden beperkt door het gebruik van power planes om overspraakniveaus te onderdrukken.

5. Differentiële signalen

Een andere manier om met ruis in een communicatiepad om te gaan, is door differentiële signalen te gebruiken. Differentiële signalen zijn gelijk en tegengesteld in potentiaal. Dienovereenkomstig zijn twee sporen verantwoordelijk voor het overbrengen van een signaal tussen apparaten en wordt de waarde van het signaal bepaald door het verschil in potentiaal op de twee sporen, niet door het absolute potentieel van de individuele sporen. Hierdoor blijven differentiële signalen immuun voor overspraak en effectief immuun voor uitgestraalde ruis.

6. Huidige en lusgebieden retourneren

Bij het overwegen van hoogfrequente lay-outs moet ook rekening worden gehouden met het retourpad van een signaal. Bij het werken met DC-circuits is het retourpad het pad met de laagste weerstand, maar bij het beschouwen van AC-signalen zal het retourpad het pad met de laagste impedantie zijn. Het resultaat is dat het retourpad van een hoogfrequent signaal direct naast het spoor van dat signaal zal zijn. Normaal gesproken is het verschil in retourpad geen probleem wanneer het signaalspoor over een grondvlak wordt geleid, maar het kan een probleem zijn wanneer het grondvlak onder het signaalspoor wordt verbroken. Het resultaat is dat een breuk in het retourpad van het signaal een lus zal zijn. Lussen moeten worden vermeden, omdat dit veel effectievere EMI-stralers zijn en een negatieve invloed hebben op de EMC van een ontwerp.

Praktische ontwerptips

Nu we een korte bespreking van de bronnen van signaalruis met hoge snelheid hebben gegeven, kunnen we verder gaan met het bespreken van meer specifieke lay-outtips.

Voordat u aan uw volgende high-speed PCB-ontwerp begint, moet u eerst de algemene vereisten van het ontwerp bekijken. Goede vragen om te stellen zijn:Wat is de hoogste frequentie in het systeem? Moet u een microstrip of een striplijn gebruiken om het door het ontwerp vereiste niveau van ruisonderdrukking te bereiken? Wat zijn de gevoelige signalen in je ontwerp? Wat zijn de minimale toleranties die de PCB-fabrikant vereist? Zijn er gevoelige onderlinge verbanden tussen functionele groepen van het ontwerp? Met deze antwoorden in de hand kan een algemeen beeld van de stapeling en samenstelling van het bord worden bepaald.

1. Bord stapelen

Een van de meest elementaire overwegingen voor een nieuw circuitontwerp is de PCB-stackup. Als er geen gevoelige signalen zijn om te bewaken, kan het goed zijn om een ​​standaard 2-laags PCB te gebruiken. Als u signalen als striplijnen moet routeren, moet u een stapeling van 6 lagen gebruiken. Een 4-laags printje kan ook een goede tussenoptie zijn.

Een andere overweging is dat als u de stapeling zodanig kunt maken dat de vermogensvlakken heel dicht bij elkaar liggen, u de noodzaak kunt verminderen om ontkoppelcondensatoren met een kleine waarde in uw ontwerp te gebruiken. Als u ten slotte de bronnen en putten van uw hogesnelheidssignaal dicht bij elkaar op de PCB kunt lokaliseren, kunt u een groot deel van de EMI en EMC met betrekking tot die signalen elimineren.

2. Stroom- en grondvlakken

De meest elementaire vereiste voor een ontwerp met hoge snelheid is de implementatie van een compleet grondvlak. Het kan ook een groot voordeel zijn om ook een compleet powerplane op te nemen, maar dat vereist dat het ontwerp gebaseerd is op een stapeling van vier of meer lagen. Het is ook een voordeel om signaalsporen zeer dicht bij stroomvlakken te lokaliseren, wat ook de stack-up moet informeren die in het definitieve ontwerp wordt gebruikt.

Bij het opsplitsen van delen van een vermogensvlak is het ook belangrijk om te onthouden dat hogesnelheidssignalen een retourstroom hebben die het pad van de laagste impedantie volgt en niet de weerstand. Houd er rekening mee dat u het retourpad van een hogesnelheidssignaal tussen de bron en de gootsteen niet verbreekt. Als u een grondvliegtuig moet breken, probeer dan geen signaalsporen over deze onderbreking te laten lopen. In het geval dat u dit doet, overweeg dan om het aardingsvlak naast het signaalspoor opnieuw aan te sluiten met een weerstand van 0 Ohm. Gebruik, beknopter, zo uniform en ononderbroken grond- en krachtvlakken in uw ontwerp als mogelijk is.

3. Aanvullende onderwerpen

Ontkoppelcondensatoren zijn belangrijk bij het creëren van paden met lage impedantie naar aarde en voeding voor hoogfrequente signalen. Over het algemeen zult u een aantal verschillende condensatorwaarden moeten gebruiken om hoogfrequente ruis over een reeks frequenties te onderdrukken. Plaats bij het plaatsen van condensatoren de condensator met de laagste waarde het dichtst bij het apparaat dat u beschermt en ga vervolgens verder met grotere en grotere waardekappen. Zorg er ook voor dat de condensator zich tussen het apparaat en het vermogensvlak bevindt dat de condensator ontkoppelt. Dit zorgt ervoor dat het apparaat daadwerkelijk wordt ontkoppeld door de condensator.

Andere algemene tips zijn:
• Afronding van spoorhoeken kan het EMI-niveau dat door een signaal wordt uitgestraald, verminderen. Dit komt omdat de abrupte veranderingen in de sporen leiden tot hogere capaciteitsniveaus en ook signaalreflecties met hoge snelheid veroorzaken.
• Om overspraak tussen signaalsporen, inclusief die op verschillende vlakken, te minimaliseren, moet u ervoor zorgen dat ze elkaar rechts kruisen hoeken.
• Vermijd via's in signaalsporen. Via's veranderen de karakteristieke impedantie van het spoor en kunnen reflecties veroorzaken. Als u via's met differentiële signaalsporen moet gebruiken, overweeg dan om ze in beide sporen te plaatsen om er zeker van te zijn dat hun effect in beide sporen gelijk is.
• Denk aan de stub die wordt gecreëerd door het gebruik van via's. Overweeg om blinde of burred via's te gebruiken in plaats van conventionele via's.
• Houd rekening met vertragingen bij het gebruik van een gedistribueerde klokoplossing. Vermijd vertakkingen en pas de trace-lengtes van de klok aan de aangesloten apparaten aan. Het is vaak raadzaam om een ​​klokstuurprogramma te gebruiken.

Nuttige bronnen
• Onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp in ingebed applicatiesysteem
• Differentiële isometrische verwerking en simulatieverificatie van high-speed PCB-ontwerp
• Hoe beeldvlakken te ontwerpen voor high-speed PCB's
• Hoge-snelheid PCB-ontwerpuitdagingen op signaalintegriteit en hun oplossingen
• Onderdrukkingsmethode van signaalreflectie in high-speed PCB-lay-out
• Signaalintegriteitsanalyse en PCB-ontwerp op high-speed digitale- Analoog gemengd circuit
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk