High-Speed PCB-ontwerp beheersen: Veelvoorkomende misvattingen en bewezen strategieën

Wat hoog-snelheid elektronische systemen betreft, leidt het succes van printplaatontwerp direct tot hoge probleemoplossing in Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) systeem in zowel theorie als praktijk. Om de EMC-standaard te halen, staat hoog-snelheid PCB-ontwerp voor grote uitdagingen, zodat hoog-snelheid PCB-ontwerpers traditionele ontwerpfilosofieën en -benaderingen in hun ontwerpproces moeten opgeven. Deze passage analyseert voornamelijk de misvattingen en strategieën in het proces van hoog-snelheid PCB-ontwerp vanuit het perspectief van de praktijk.

Dielektrische constante van hoog-snelheid PCB-materiaal

Tot nu toe zijn er hoofdzakelijk drie ontwerptechnieken in termen van hoog-snelheid PCB-ontwerp: ruis- en vertraagde PCB-grafisch ontwerptechniek, impedantie- en voortplantingsvertragingstijd controle techniek en evaluatietechniek met PCB-impedantie als parameters, waarvan de laatste twee typen technieken het hart van PCB-fabricage zijn. Er zijn ook veel technieken op hoog-snelheid PCB-fabricage transmissies en de algemeen gebruikte basisstructuren zijn microstrip en stripline. Wat hoog-snelheid PCB-transmissielijnen betreft, zijn Z₀ dat is de impedantieparameter en t_pd dat is voortplantingsvertragingstijd de belangrijkste variabelen. Echterlijk, als de structuur van microstrip verschilt van die van stripline, zal de berekeningsformule ook anders zijn. Maar in elk geval is impedantie altijd de geometrische structuur van de transmissielijn. In de meeste situaties wordt de dielektrische constante van een deel van PCB-materiaal beïnvloed door frequentie, oppervlakte waterabsorptiesnelheid, temperatuur en elektrische kenmerken. Voor tweelaags of meerlaagse PCB's wordt hun dielektrische constante beïnvloed door de verhouding van hars en silicium in het PCB-materiaal.

Tegenwoordig is het meest algemeen gebruikte PCB-materiaal FR4. Gewoonlijk geven PCB-materialleveranciers de waarden van de dielektrische constante aan op basis waarvan projecttechnici het materiaal zullen gebruiken. In de praktische toepassingen worden de waardeparameters meestal verkregen onder de situatie van 1MHz, terwijl in termen van hoog-snelheid situaties de dielektrische constante duidelijke veranderingen vertoont zoals getoond in Figuur 1.

De drie curven in Figuur 1 verwijzen naar de verschillende verhoudingen van silicium en hars. Onder de drie curven is curve A de hoogste, B gemiddeld en C de laagste. Zodra operatoren het verschil niet opmerken, kan grote afwijking optreden tussen berekeningen of simulatie-resultaat en praktische situaties op impedantie en voortplantingsvertragingstijd, wat effect zal hebben op hoog-snelheid systeem signaalintegriteit ontwerp.

90° Hoekprobleem

90° hoek moet in PCB-routing in de meeste documenten vermeden worden, omdat het mogelijk leidt tot impedantiediscontinuïteit en Elektromagnetische Interferentie (EMI) straling. Vanuit theoretisch perspectief is de breedteverandering van 90° hoek сравнитеel groot, wat resulteert in de grote impedantie en ernstige impedantiediscontinuïteit. Vanuit praktisch perspectief neigt de elektromagnetische kracht ertoe om zich in de hoek van de routing te verzamelen, en hoe scherper de hoek is, hoe meer verzamelde kracht. Op basis van de bovenstaande analyse, wordt de EMI-straling het meest uitstekend bij 90° hoek.

Maar sommige onderzoekers vinden dat de invloed van 90° hoek op impedantie binnen 10% ligt. Voor de routing-breedte van 6mil, als het een sleutellengte wordt, dan zal het in de THz-reeks liggen. Dus kan worden geschat dat 90° hoek zeker zal leiden tot impedantiediscontinuïteit in de praktische situaties.

Daarom is in de praktische PCB-routing, tenminste binnen de GHz-reeks, het onnodig om 90° hoek tegen een kost te vermijden.

20-H Principes

Sinds het verschijnen van 20-H principes door KNG, is het geaccepteerd als het hoofdpincipe voor hoog-snelheid PCB-ontwerp. Sommige onderzoekers wijzen erop dat dit principe in staat is om de omringende elektromagnetische dichtheid op betrokken PCB-lagen met ongeveer 70% te verlagen. Bovendien speelt het ook een effectieve rol bij het verminderen van de uitwaartse EMI-straling. Echter, veel experimenten ondersteunen de verwachtingen van de onderzoekers niet.

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

Filtercondensatorparameters

Filtercondensator is een geteste effectieve en economische maatregel gebruikt om EMC-probleem in het elektronische systeem op te lossen. Echter, hoog-snelheid elektronisch systeem brengt nieuwe eisen aan de prestaties en toepasbare ontwerp van filtercondensator. Het vereenvoudigde model van filtercondensator wordt getoond als Figuur 2.

Het moet aan de volgende eis voldoen: Z_C < Z_S // Z_L (Z_C = 1/2πfC). Een veelvoorkomende misvatting wijst erop dat zolang Z_C kleiner is dan Z_L, het doel van filtercondensator bereikt kan worden. In feite kunnen parameters van filtercondensator niet bepaald worden tenzij de waarden van Z_S en Z_L bepaald zijn.

Echter, in hoog-snelheid schakeling, is noch Z_S noch Z_L zuivere weerstand, in behoefte aan complexe waarden. Tegelijkertijd is Z_C geen zuivere capaciteit in de hoog-snelheid schakeling en moeten zowel equivalent seriesereistand als equivalent serie-inductantie in overweging genomen worden. Al deze zijn alle moeilijkheden in de toepassing van filtercondensator in het hoog-snelheid elektronische systeem. Zodra ontwerpers deze aspecten negeren, zullen duidelijke verschillen optreden tussen berekeningen of simulatie-resultaat en de praktijk.

Siliciumverpakking

PCB-ontwerpers neigen ertoe om de meeste aandacht te besteden aan PCB-layout en interconnecties tussen componenten op PCB's en het belang van componentenverpakking te negeren. In feite kan dit ernstige resultaten produceren voor hoog-snelheid PCB-ontwerp. Siliciumverpakking heeft invloed op silicium's prestaties door de parasitair inductantie, parasitair weerstand en parasitair capaciteit die door de verbindingslijnen en pootjes passeren. Deze parameters zullen ruis genereren, communicatievertraging, flanksteilheid en frequentierespons. De parasitair parameters van verschillende verpakkingen kunnen heel anders zijn. Voor het silicium met dezelfde schakeling en verschillende verpakkingen, tonen hun prestaties verschillende kenmerken.

In feite, voor hoog-snelheid elektronisch systeem, zijn siliciumontwerp, verpakkingsontwerp en bord-niveau ontwerp nooit onafhankelijk van elkaar. Voor de ontwerpstroom op silicium, moet een geschikte verpakking worden gekozen in overeenstemming met PCB. De algehele layout van siliciumontwerp wordt beïnvloed door zowel technieken als bord-niveau elementen. Voor de siliciumverpakking, is de matching met PCB een element dat overwogen moet worden. Wat belangrijker is, een geschikte verpakking is zeer nuttig in termen van de integriteit van bord-niveau en EMC/EMI-problemen. Daarom moet siliciumverpakking nooit genegeerd of geminimaliseerd worden.

Common-mode stroom stralingsinterferentie

In de signaaltransmissieleidingen van PCB bestaat er differentieel-modus stroom die nuttige signalen overbrengt en common-mode stroom zonder nuttige informatie, die beide EMI-straling genereren.

Vanwege zijn relatief hoge stroom, is differentieel-modus stroom benadrukt door schakelontwerpers met de vorming van theorie en technieken die differentieel-modus stroom EMI-straling controleren. Als resultaat hebben sommige EDA-tools functies van differentieel-modus stroom EMI-straling simulatie en voorspelling. Echter, vergeleken met differentieel-modus stroom, is common-mode stroom veel minder, wat gemakkelijk leidt tot de ontwerpersverwaarlozing van common-mode stroom EMI-straling.

Toch, volgens recent onderzoek, hoewel common-mode stroom veel kleiner is dan differentieel-modus stroom, is de EMI-straling-interferentie gegenereerd door de eerste veel groter dan die door de laatste. Tot nu toe is common-mode stroom EMI-straling een van de hoofdbronnen van straling-interferentie op hoog-snelheid geavanceerde schakelborden. Wat erger is, de generatie van common-mode stroom EMI-straling heeft gecompliceerde redenen en noch simulatie noch voorspelling kan bereikt worden. Bovendien is het onderzoek naar het controleren van common-mode stroom EMI-straling nog op gang.

Daarom, bij het ontwerpen van hoog-snelheid PCB, is het onbetrouwbaar om EMI-straling te simuleren en te voorspellen gebaseerd op differentieel-modus stroom EMI-straling alleen.

Nuttige bronnen

• High-Speed Layout Tips
• High-Speed PCB Routing Techniques to Reduce the Influence of EMI
• Research on High-Speed PCB Design in Embedded Application System
• Differential Isometric Processing and Simulation Verification of High-Speed PCB Design
• How to Design Image Planes for High-Speed PCBs
• High-Speed PCB Design Challenges on Signal Integrity and Their Solutions
• Suppression Method of Signal Reflection in High-Speed PCB Layout
• Signal Integrity Analysis and PCB Design on High-Speed Digital-Analog Mixed Circuit
• Full Feature PCB Manufacturing Service from PCBCart - Multiple Value-added options
• Advanced PCB Assembly Service from PCBCart - Start from 1 piece