Effectieve signaalreflectie-onderdrukking voor hoogspannings-PCB-lay-outs

Met de komende ontwikkeling van elektronische wetenschap en technologie, ontwikkelt het elektronische systeem samengesteld door IC-chip zich snel in de richting van grote schaal, miniatuur en hoge snelheid. Tegelijkertijd komt een probleem op dat de krimp van het volume van het elektronische systeem leidt tot de uitbreiding van de routingsdichtheid van de schakeling, terwijl de signaalfrequentie constant stijgt en de flankomkeertijd van het signaal kort wordt. Wanneer de interconnectionvertraging van signalen groter is dan de signaalomkeertijd met 10%, zullen signaalleidingen op het bord transmissielijn-effect tonen, waardoor een reeks problemen zoals signaalreflectie en crosstalk steeds meer naar voren treden. Het ontstaan van hoogspanningsprobleem brengt grotere uitdaging voor hardware-ontwerp en als sommige ontwerpen die correct worden beschouwd vanuit logisch perspectief niet geschikt worden verwerkt, zal het hele ontwerp lijden onder fout. Daarom is hoe de problemen van hoogspanningsschakelingen op te lossen een van de essentiële elementen geworden die het succes van het systeem bepalen.

Principes van reflectie en zijn invloed

Principes van reflectie

De directe reden voor reflectie ligt in de onverenigbaarheid van impedantie van transmissielijnen, wat leidt tot onvolledige absorptie van signaalenergie aan de terminal. Reflectiekwestie reflecteert signaalkwaliteit van enkel netwerk, gerelateerd aan fysieke eigenschappen van signaalpad van enkel netwerk en terugkeerpad. Meestal heeft fysieke eigenschappen van PCB-routing grote invloed op transmissielijnen, hoofdzakelijk inclusief routingmateriaal, routingbreedte, routingdikte, afstand tussen andere routingvlakken en vlakken en diëlektrische constante van aangrenzend materiaal. Wanneer signalen worden getransporteerd langs enkel netwerk, wordt transiente impedantieverandering van interconnectielijnen gegenereerd. Als de interconnectie-impedantie die door signalen wordt gevoeld, onveranderd blijft, zal non-vervorming worden gehandhaafd. Als de interconnectie-impedantie die door signalen wordt gevoeld, blijft veranderen, zal vervorming worden gegenereerd met reflectie geproduceerd bij het veranderingpunt. Het reflectiesignaal zal worden getransporteerd terug naar de emissie-eind van signalen en opnieuw worden gereflecteerd totdat het krimpt met de afname van energie. Uiteindelijk zullen de spanning en stroom van signalen stabiel worden.

Berekening van reflectie

Wanneer signalen voorwaarts worden getransporteerd langs transmissielijnen, zal transiente impedantie op elk moment worden gevoeld. Als de impedantie die door signalen wordt gevoeld, constant is, zal het normaal voorwaarts worden getransporteerd. Zolang de gevoelde impedantie verandert, zal reflectie altijd worden veroorzaakt, ongeacht de oorzaak. De significante index die reflectiehoeveelheid meet, is reflectiecoëfficiënt die de verhouding aangeeft tussen reflectiespanning en oorspronkelijke signaalspanning. Reflectiecoëfficiënt kan worden gedefinieerd volgens formule .

In deze formule verwijst Z₁ naar de impedantie na verandering, terwijl Z₀ de impedantie vóór verandering is. Stel de karakteristieke impedantie van PCB-routing is 50 Ω. In het transmissieproces wordt een weerstand van 150 Ω ontmoet en dan is de reflectiecoëfficiënt (150−50)/(150+50) = ½ (in deze omstandigheid wordt de invloed van parasitaire capaciteit en inductie niet overwogen met weerstand als een ideale zuivere weerstand). Dit resultaat geeft aan dat de helft van de energie van het oorspronkelijke signaal terug naar de bronterminaal wordt getransporteerd. Als de spanning van transmissiesignalen 5 V is, is de reflectiespanning 2,5 V.

Invloed van reflectie

1). Signaalvervorming veroorzaakt door reflectie

Als een leidraad niet correct wordt getermineerd, zal signaalpuls van het dryvende eind worden gereflecteerd aan de ontvangstterminal. Wanneer gereflecteerde signalen vrij sterk zijn, zal gestapelde golfvorm mogelijk logische toestand veranderen, wat onverwacht effect veroorzaakt, leidend tot signaalcontourvervorming. Wanneer vervorming zo duidelijk wordt, zullen talloze fouten mogelijk worden veroorzaakt met ontwerp mislukt. Tegelijkertijd hebben signalen met vervorming meer gevoeligheid voor ruis, wat ook ontwerpfout zal veroorzaken.

2). Overshoot en undershoot veroorzaakt door reflectie

Overshoot verwijst naar het feit dat de eerste piekwaarde of dalwaarde de spanning overschrijdt. Voor stijgende flank, verwijst het naar het feit dat de eerste piekwaarde de hoogste spanning overschrijdt, terwijl voor dalende flank, het verwijst naar het feit dat de eerste dalwaarde de laagste spanning overschrijdt. Overdreven overshoot zal mogelijk beschermingsdiodes vernietigen, leidend tot vroege fout. Undershoot verwijst naar het feit dat de volgende dalwaarde of piekwaarde mogelijk valse kloksignalen zal genereren, leidend tot mislezen en mitschrijven operatie van het systeem.

3). Oscillatie

Oscillatie is ook een symptoom veroorzaakt door reflectie. Met dezelfde eigenschap als overshoot, wordt herhaalde overshoot en undershoot oscillatie genoemd binnen een klokcirkel. Het is het resultaat van het feit dat redundante energie gegenereerd door reflectie niet tijdig in schakelingen kan worden geabsorbeerd.

Reflectie-onderdrukkingsmethode

De hoofdelementen die reflectie veroorzaken, omvatten geometrische vorm van routing (breedte, lengte, hoeken van bochten), conversie van hetzelfde netwerk routingvlak, transmissie door connector, discontinüïteit tussen voeding en ground, onjuiste topologische structuur en onverenigbaarheid van netwerkeinde. De hoofponderdrukkingsmethoden zullen in het volgende deel worden geïntroduceerd.

Systeemfrequentie-escalatie

Transformatiesnelheid van signaalflank wordt verlaagd in mogelijke situaties, zodat reflectie van transmissielijnen de stabiele toestand zal bereiken vóór de verbinding tussen een signaal en transmissielijn. Aan de ene kant moeten ontwerpvoorschriften worden voldaan; aan de andere kant moeten componenten met lage snelheid worden gekozen om mengsel tussen verschillende typen signalen te vermijden.

Signaalverwerkingsoptimalisatie

Vanwege strikte eisen in termen van tijdsequentiëring, moeten componenten en knopen die hoogspanningsproblemen kunnen veroorzaken, van tevoren worden bepaald. Alle soorten vereisten met betrekking tot componentlay-out en routing moeten worden aangepast en ontwerpindex van signaalintegriteit zal uiteindelijk worden gecontroleerd. De hoofdbewerkingsmethoden omvatten:
1). Relatief dunne PCB-borden worden toegepast om parasitaire parameters van doorplaten te verlagen.
2). Het aantal lagen moet geschikt worden gerangschikt. Middenlagen moeten volledig worden benut om schild in te stellen om aangrenzende grounding beter te implementeren, wat parasitaire inductie effectief zal verminderen, transmissielengte van signalen verkorten en crosstalk tussen signalen aanzienlijk escaleren.
3). Geometrische vorm van signaallijnen op PCB moet worden gecontroleerd met bochten verminderd en impedantie-discontinuïteitspunten van routing geminimaliseerd. Vooral voor routing in hoogfrequente schakelingen, moeten volledig rechte lijnen worden toegepast. Wanneer bochten vereist zijn, kunnen gebroken lijnen of boog van 45° worden toegepast, wat externe straling van hoogfrequente signalen en koppeling tussen hoogfrequente signalen zal verminderen.
4). Routing van belangrijke signaallijnen moet in hetzelfde vlak worden gerangschikt om onnodige doorplaten te verminderen.
5). Vlakintegriteit moet worden gewaarborgd om terugstroompad met lage impedantie voor signaallijnen te bieden. Dit beoogt common-mode impedantiekoppeling en common-mode schakelruis te verminderen of te elimineren om signaalintegriteitsproblemen met betrekking tot voedingssysteem te verminderen of te elimineren.
6). Toepassing van correcte routing-topologische structuur.

Topologische structuur van routing verwijst naar routingvolgorde en structuur van een signaallijn. In praktische schakelingen is er altijd een situatie waarin een enkele dryvende bron meerdere lasten aandrijft en dryvende bron en lasten voldoen aan de topologie van structuur. Verschillende topologische structuren hebben duidelijk verschillende invloed op signalen. Meestal worden twee typen basis-topologische structuren toegepast in PCB-routing, namelijk daisy chain en ster-topologie, wat in Figuur 1 hieronder wordt getoond.

a. Daisy chain

Routing start van dryvende terminal en arriveert bij elke ontvangstterminal achtereenvolgens. Als serieweerstand wordt toegepast om signaaleigenschappen te veranderen, moet de positie van serieweerstand dicht bij dryvende terminal zijn. Wat betreft hogere harmonische interferentiecontrole, heeft daisy chain het beste routingeffect. Echter, dit type routing heeft de laagste routeerbaarheid, minder dan 100%. In praktische ontwerpen, moet taklengte in daisy chain zo kort mogelijk zijn. Routingsruimte van deze topologische structuur is klein en een enkele weerstand kan worden toegepast voor compatibiliteit met terminatie. Bovendien maakt dit type routingstructuur signaalontvangst uit fase op verschillende signaalontvangstterminals.

b. Ster-topologie

Dit type routing is in staat om effectief non-synchronisatie van kloksignalen te vermijden, maar het heeft een nadeel dat een terminalweerstand vereist is voor elke tak. Weerstandswaarde van terminalweerstand moet compatibel zijn met in-line karakteristieke impedantie. Voor systemen wier verschillende signalen gelijktijdige vereiste hebben aan ontvangstterminal, is ster-topologie de meest geschikte.

Terminatiemethoden

Karakteristieke impedantie op signaaltransmissiepad moet constant worden gehandhaafd, dat wil zeggen, reflectiecoëfficiënt is 0, wat betekent geen reflectie op transmissiepad. Deze situatie wordt impedantiecompatibiliteit genoemd. Op dit moment transmitteren signalen ideaal ground naar terminal. Algemeen, transmissielijnlengte moet compatibel zijn met voorwaarde .

In deze ongelijkheid, L verwijst naar de lengte van transmissielijn; tᵣ verwijst naar de stijgtijd van bronterminaalsignalen; tₚ𝒹₁ verwijst naar de belastingtransmissievertraging per eenheidslengte op transmissielijnen. Wanneer het geïntegreerde niveauoverdracht plaatsvindt vóór reflectie aankomt aan verre terminal, is terminal-matchingtechnologie vereist om te worden toegepast. Terminal-verbindingsprincipes van transmissielijnen omvatten: als ofwel laadreflectiecoëfficiënt of bronreflectiecoëfficiënt nul is, zal reflectie worden geëlimineerd. Algemeen worden twee strategieën toegepast: bronimpedantie wordt compatibel gemaakt met transmissielijnimpedantie, dat wil zeggen, bronterminatie, terwijl laadimpedantie wordt gemaakt compatibel met transmissielijnimpedantie, dat wil zeggen, eindterminatie.

1). Bronterminatie

Bronterminatie is voornamelijk seriële terminatiemethode geïmplementeerd door een serieweerstand in transmissielijnen op posities angrenzend aan nabije-bron-eind in te pluggen. De som van weerstandswaarde van serieweerstand en dryvende terminal moet gelijk zijn aan weerstandswaarde van transmissielijnen. Het principe van seriële terminatie is de eliminatie van gereflecteerde spanning van laadterminal om de tweede reflectie van transmissielijnen te stoppen, wat in Figuur 2 wordt getoond.

2). Eindterminatie

Het hoofdpincipe van eindterminatie ligt in pull-up of pull-down weerstand toevoegen aan posities angrenzend aan laadterminal om impedantiematching te implementeren. Eindterminatie kan algemeen worden verdeeld in enkele weerstand parallelle terminatie, RC-terminatie, Thevenin-terminatie en Schottky-diodeterminatie, zoals getoond in Figuur 3.

Weerstandswaarde in enkele weerstand parallelle terminatie is gelijk aan de impedantie van transmissielijnen. Waarden van twee weerstanden in Thevenin-terminatie moeten de formule volgen: Z₀ = R₁R₂/(R₁+R₂). Waarde van capaciteit in RC-terminatie volgt de formule: C = 3T/Z₀, waarin T verwijst naar de stijgtijd van signalen, terwijl Z₀ verwijst naar de impedantie van transmissielijnen.

Vanaf het perspectief van systeemontwerp, moet parallelle terminatie als eerste worden gekozen, omdat het het meest in staat is om ruis, EMI en RFI te verminderen vergeleken met de andere drie terminatiemethoden. Volgens praktische omstandigheden wordt de geschikte terminatiemethode gekozen en wanneer noodzakelijk, moet simulatie-ontwerp worden geïmplementeerd.

Conclusie

In hoogspannings-PCB-ontwerp omvatten succesvolle voorwaarden redelijke lay-out en routing, vermijding van onnodige bochten en doorplaten, impedantie-continuität, geïntegreerde signaalreferentievlakken en uitstekende grounding. Om ontwerp en signaalintegriteit te optimaliseren en hogere elektromagnetische compatibiliteit te verkrijgen, moet ontwerpsimulatieverificatie worden geïmplementeerd. Het helpt ontwerpers om ontwerpfouten tijdig aan te pakken en tekortkomingen in PCB-ontwerp goed te maken.

Nuttige bronnen
• Hoogspannings Lay-out Tips
• Hoogspannings PCB-ontwerp uitdagingen op signaalintegriteit en hun oplossingen
• Signaalintegriteitsanalyse en PCB-ontwerp op hoogspannings digitaal-analoge gemengde schakeling
• Volledige PCB-fabricagedienst van PCBCart - Meerdere waarde-toevoegende opties
• Geavanceerde PCB-assemblagedienst van PCBCart - Vanaf 1 stuk