Bewezen hoog-snelheid PCB-layout tips voor betrouwbare ontwerpen

De meeste PCB-ontwerpen beginnen met een correct en geverifieerd schema in hand. Het harde werk van het converteren van het schematische ontwerp in een definitieve PCB moet dan worden ondernomen. Vaak zal de PCB niet werken, zelfs al is het oorspronkelijke schakelontwerp met zorg uitgevoerd. Zelfs als een schema geverifieerd is met een simulatie, wat de simulatie van het ontwerp niet in rekening brengt, is dat de specificaties van de PCB-layout onvoorziene foutbronnen in een ontwerpimplementatie kunnen introduceren. Dit is vooral waar wanneer het gaat om het gebruik van nieuwere en hogere snelheidscomponenten met hun bijbehorende hogere kloksnelheden in een ontwerp. Bovendien zijn de gegevensoverdrachtssnelheden tussen apparaten ook continu toenemend en onderworpen aan dezelfde typen foutbronnen. Deze snelheidstoenames laten kleine capaciteits- en inductiewaarden die inherent zijn in PCB-layouts, de PCB-implementatie van een ontwerp doen mislukken.

Naast het zorgen dat een PCB functioneel is, zijn aanvullende eisen met betrekking tot uw ontwerptolerantie van uitgestraalde ruis en de hoeveelheid uitgestraalde ruis die het bijdraagt, van groot belang om een definitief ontwerp goedgekeurd te krijgen. Als zodanig, bij het ontwikkelen van uw volgende PCB-toepassing die hoog-snelheid signalen omvat, moet grote zorg worden besteed aan het mitigeren van elektromagnetische interferentieproblemen.

Voorbeelden van hoog-snelheid signalen zijn kloksignalen en hoge-snelheid communicatiepoorten. Met een paar eenvoudige regels kan de signaalintegriteit en elektromagnetische interferentieniveaus van uw volgende ontwerp worden verbeterd - geen behoefte aan complexe wiskundige modellen of betrokken en dure simulatietools. Dit artikel zal een aantal van deze eenvoudige regels presenteren die kunnen worden gevolgd om het succes van uw volgende ontwerp met hoog-snelheid signalen te verzekeren.

Achtergrond

In deze sectie zullen we enkele van de bronnen van hoog-snelheid layout-fouten en gerelateerde concepten bespreken, met de volgende sectie die algemene regels levert om deze foutbronnen te mitigeren.

1. Elektromagnetische Interferentie en Elektromagnetische Compatibiliteit

Elektromagnetische interferentie is radiofrequentieruis die de werking van een apparaat stoort. Aan de andere kant, elektromagnetische compatibiliteit verwijst 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 moet zijn om beide hoeveelheden tot redelijke niveaus te verlagen. Het is ook op te merken dat er vastgestelde FCC- en CISPR-standaarden zijn voor het niveau van EMI dat apparaten mogen uitzenden.

2. Kloksignalen

Kloksignalen, die veelvuldig gebruikt worden om microprocessoren en communicatiepoorten aan te sturen, zouden een perfecte blokgolf moeten zijn, maar ze zijn dat in de realiteit niet. Ze zijn in feite een combinatie van signalen bij de nominale klokfrequentie en de harmonische frequenties boven de klokfrequentie. Als zodanig moet de EMI overwogen worden bij zowel de frequentie van de klok die in een ontwerp wordt gebruikt als de harmonieken van de klokfrequentie boven de nominale klokfrequentie.

3. Transmissielijnen

Bij hogere frequenties komen transmissielijneffecten in spel, zelfs op PCB-bordniveau. Wanneer de frequentie van een signaallijn ertoe leidt dat genoemde signaal een golflengte heeft op de orde van het bijbehorende PCB-spoor, moet de karakteristieke impedantie van het spoor overwogen worden om reflecties door impedantiemismatches te voorkomen. In de meest algemene zin, moet de PCB-ontwerper de tijd nemen om de impedantie van de sporen die bij de transceivers horen die die sporen verbinden, te matchen. Het gebruik van een microstrip (een spoor van een gedefinieerde breedte over een voedingsvlak) of een stripline (een spoor van een gedefinieerde breedte tussen twee voedingsvlakken) zijn gangbare manieren om de impedantie van een PCB-niveau transmissielijn te controleren.

Het is ook gebruikelijk dat transceivers hoge-impedantie ingangen hebben. In dit geval moet het verbindende spoor worden beëindigd op een manier die de karakteristieke impedantie van de transmissielijn matcht waaraan het verbonden is. Er zijn verschillende veelvoorkomende beëindigingstechnieken, maar het onderzoeken ervan wordt aan de lezer overgelaten, omdat ze buiten het bereik van dit artikel vallen.

4. Crosstalk

Wanneer twee sporen naast elkaar liggen, zijn ze inductief en capacitief gekoppeld (vaak aangeduid als crosstalk) op een manier die ertoe kan leiden dat de ene de werking van de ander in het gedrang brengt. De meest basismethode om dit soort ruis te elimineren is om de sporen door een grotere afstand te scheiden. Crostalk kan ook gemitigeerd worden door het gebruik van voedingsvlakken om crosstalk-niveaus te onderdrukken.

5. Differentiële signalen

Een andere manier om om te gaan met ruis in een communicatiepad is door differentiele signalen te gebruiken. Differentiele signalen zijn gelijk en tegenovergesteld in potentieel. Daardoor zijn twee sporen verantwoordelijk voor het dragen van een signaal tussen apparaten en de waarde van het signaal wordt bepaald door het verschil in potentieel op de twee sporen, niet de absolute potentieel van de individuele sporen. Dit maakt differentiele signalen immuun voor crosstalk en effectief immuun voor uitgestraalde ruis.

6. Terugkeerstroom en lusgebieden

Bij het overwegen van hoog-frequentie layouts, moet ook het terugkeerpad van een signaal overwogen worden. Bij het werken met DC-schakelingen, zal het terugkeerpad het pad van de laagste weerstand zijn, maar bij het overwegen van AC-signalen zal het terugkeerpad het pad van de laagste impedantie zijn. Het resultaat is dat het terugkeerpad van een hoog-frequentie signaal direct naast het spoor van genoemd signaal zal liggen. Normaal gesproken is het verschil in terugkeerpad geen probleem wanneer het signaalspoor over een massavlak wordt gerouteerd, maar het kan een probleem zijn wanneer het massavlak onder het signaalspoor gebroken is. Het resultaat is een breuk in het terugkeerpad van het signaal zal een lus zijn. Lussen moeten vermeden worden, omdat ze veel effectievere EMI-stralers zijn en negatief een ontwerp's EMC zullen beïnvloeden.

Praktische ontwerptips

Nu we een korte discussie hebben gevoerd over de bronnen van hoog-snelheid signaalruis, kunnen we overgaan tot het bespreken van meer specifieke layout-tips.

Voordat u uw volgende hoog-snelheid PCB-ontwerp aanpakt, moet u eerst een kijkje nemen bij de algehele eisen van het ontwerp. Goede vragen om te stellen zijn: Wat is de hoogste frequentie in het systeem? Heeft u een microstrip of stripline nodig om het vereiste ruisonderdrukkingsniveau van het ontwerp te bereiken? Wat zijn de gevoelige signalen in uw ontwerp? Wat zijn de minimum toleranties die de PCB-fabrikant vereist? Zijn er gevoelige interconnecties tussen functionele groepen van het ontwerp? Met deze antwoorden in handen, kan een algemeen beeld van de bordstapel en samenstelling worden bepaald.

1. Bordstapel (Board Stackup)

Een van de meest basale overwegingen voor een nieuw schakelontwerp is de PCB-stapel. Als er geen gevoelige signalen te bewaken zijn, kunt u prima een standaard 2-laags PCB gebruiken. Als u verplicht bent om signalen als striplines te routeren, hebt u een 6-laags stapel nodig. Een 4-laags PCB kan ook een goede tussenoptie zijn.

Een andere overweging is of u de stapel kunt creëren zodat de voedingsvlakken erg dicht bij elkaar liggen, u kunt de behoefte aan kleine waarde decoupling-condensatoren in uw ontwerp verminderen. Ten slotte, als u de bronnen en putten van uw hoog-snelheid signaal dicht bij elkaar op de PCB kunt plaatsen, zult u in staat zijn om een groot deel van de EMI en EMC gerelateerd aan die signalen te elimineren.

2. Voedings- en massavlakken

De meest basale vereiste voor een hoog-snelheid ontwerp is de implementatie van een compleet massavlak. Het kan ook van groot voordeel zijn om een compleet voedingsvlak ook op te nemen, maar dat vereist dat het ontwerp gebaseerd is op een vierlaags of hogere stapel. Er is ook een voordeel om signaalsporen erg dicht bij voedingsvlakken te plaatsen, wat ook de stapel die in het definitieve ontwerp gebruikt wordt, moet informeren.

Bij het opsplitsen van delen van een voedingsvlak, is het ook belangrijk om te onthouden dat hoog-snelheid signalen een terugkeerstroom hebben die het pad van de laagste impedantie volgt en niet weerstand. Wees voorzichtig om het terugkeerpad van een hoog-snelheid signaal tussen zijn bron en put niet te breken. Als u een massavlak moet breken, probeer dan geen signaalsporen over deze breuk te routeren. In het geval dat u dat wel doet, overweeg dan het massavlak langs het signaalspoor weer te verbinden met een 0 Ohm weerstand. Kortom, gebruik zo uniform en ongebroken mogelijk van massa- en voedingsvlakken in uw ontwerp.

3. Aanvullende onderwerpen

Decoupling-condensatoren zijn belangrijk bij het creëren van lage-impedantie paden naar massa en voeding voor hoge-frequentie signalen. Over het algemeen zult u een aantal verschillende condensatorwaarden nodig hebben om hoge-frequentie ruis over een bereik van frequenties te onderdrukken. Bij het plaatsen van condensatoren, plaatst u de laagst gewaardeerde condensator het dichtst bij het apparaat dat u beschermt en gaat u door met steeds grotere waarden. Zorg er ook voor dat de condensator tussen het apparaat en het voedingsvlak geplaatst wordt dat de condensator decoupleert. Dit zal ervoor zorgen dat het apparaat in feite wordt gedecoupleerd door de condensator.

Andere algemene tips omvatten:

• • Het afronden van spoorhoeken kan het niveau van EMI dat door een signaal wordt uitgezonden, verminderen. Dit is omdat de abrupte veranderingen in de sporen leiden tot hogere capaciteitsniveaus en ook hoge-snelheid signaalreflecties veroorzaken.
• • Om crosstalk tussen signaalsporen te minimaliseren, inclusief die op verschillende vlakken, zorg ervoor dat ze elkaar onder rechte hoeken kruisen.
• • Vermijd doorvoeringen in signaalsporen. Doorvoeringen veranderen de karakteristieke impedantie van het spoor en kunnen reflecties veroorzaken. Ook, als u doorvoeringen met differentiele signaalsporen moet gebruiken, overweeg ze dan in beide sporen te plaatsen om ervoor te zorgen dat hun effect gelijk is in beide sporen.
• • Overweeg de stump die gecreëerd wordt door het gebruik van doorvoeringen. Overweeg het gebruik van blinde of begraven doorvoeringen in plaats van conventionele doorvoeringen.
• • Overweeg vertragingen bij het gebruik van een gedistribueerde klokoplossing. Vermijd vertakkingen en match spoorbereik lengtes van de klok naar de aangesloten apparaten. Het is vaak raadzaam om een klokdriver te gebruiken.

Nuttige bronnen

• 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