Непонимание и стратегии проектирования высокоскоростных печатных плат

Что касается высокоскоростных электронных систем, то успех проектирования печатных плат напрямую приводит к высокому решению проблем в системе электромагнитной совместимости (ЭМС) как в теории, так и на практике. Чтобы достичь стандарта ЭМС, проектирование высокоскоростных печатных плат сталкивается с большими проблемами, поэтому разработчики высокоскоростных печатных плат должны отказаться от традиционной философии проектирования и подходов в процессе проектирования. В этом отрывке в основном анализируются недоразумения и стратегии в процессе проектирования высокоскоростных печатных плат с точки зрения практики.

Диэлектрическая проницаемость материала высокоскоростной печатной платы

На сегодняшний день существует в основном три метода проектирования с точки зрения проектирования высокоскоростных печатных плат:метод построения графика шума и задержки на печатной плате, метод управления импедансом и задержкой распространения и метод оценки с импедансом печатной платы в качестве параметров, среди которых последние два типа методов. являются сердцем производства печатных плат. Существует также множество методов высокоскоростной передачи данных при изготовлении печатных плат, и обычно используемыми базовыми структурами являются микрополосковые и полосковые линии. Что касается высокоскоростных линий передачи печатных плат, Z₀ это параметр импеданса и t_pd то есть время задержки распространения являются наиболее важными переменными. На самом деле, если структура микрополосковой линии отличается от структуры полосковой, то и формула расчета будет другой. Однако в любом случае импеданс всегда является геометрической структурой линии передачи. В большинстве случаев на диэлектрическую проницаемость части материала печатной платы влияют частота, коэффициент водопоглощения, температура и электрические характеристики. Для двухслойных или многослойных печатных плат их диэлектрическая проницаемость зависит от доли смолы и кремния в материале печатной платы.

В настоящее время наиболее часто используемым материалом для печатных плат является FR4. Обычно поставщики материалов для печатных плат указывают значения диэлектрической проницаемости, в зависимости от того, какие технические специалисты проекта будут использовать материал. В практических приложениях значения параметров обычно получаются при частоте 1 МГц, в то время как в высокоскоростных ситуациях диэлектрическая проницаемость имеет очевидные изменения, как показано на рисунке 1.

Три кривые на рисунке 1 относятся к разным пропорциям кремния и смолы. Среди трех кривых кривая А является самой высокой, кривая В — средней, а кривая С — самой низкой. Как только операторы не замечают разницы, могут возникнуть большие расхождения между результатами расчетов или моделирования и практическими ситуациями в отношении импеданса и времени задержки распространения, что повлияет на проектирование целостности сигнала высокоскоростной системы.

Проблема с углом 90°

В большинстве документов следует избегать угла 90° при разводке печатных плат, поскольку это может привести к неоднородности импеданса и излучению электромагнитных помех (ЭМП). С точки зрения теории, изменение ширины угла 90° сравнительно велико, что приводит к большому импедансу и серьезной неоднородности импеданса. С практической точки зрения, электромагнитная мощность имеет тенденцию собираться в углу трассы, и чем более острым является угол, тем больше собранная мощность. Основываясь на приведенном выше анализе, излучение EMI ​​становится наиболее выступающим при угле 90°.

Но некоторые исследователи считают, что влияние угла 90° на импеданс находится в пределах 10%. Для ширины маршрутизации 6 мил, если она станет длиной ключа, то она будет в диапазоне ТГц. Таким образом, можно предположить, что угол 90° определенно приведет к разрыву импеданса в практических ситуациях.

Следовательно, при практической трассировке печатных плат, по крайней мере, в диапазоне ГГц, нет необходимости избегать угла 90° за счет затрат.

Принципы 20 H

С момента появления принципов 20-H компанией KNG они были приняты в качестве основного принципа проектирования высокоскоростных печатных плат. Даже некоторые исследователи указывают, что этот принцип способен помочь снизить электромагнитную плотность окружающей среды на соответствующих слоях печатной платы примерно на 70%. Кроме того, он также играет эффективную роль в уменьшении внешнего электромагнитного излучения. Однако многие эксперименты не оправдывают ожиданий исследователей.

Некоторые эксперименты показывают, что для двухслойных печатных плат принцип 20-H приводит к более серьезному излучению, в то время как для многослойных печатных плат использование принципа 20-H во внутреннем среднем слое не дает явного улучшения.

Фильтрация параметров емкости

Фильтрующая емкость — проверенное эффективное и экономичное измерение, используемое для решения проблемы электромагнитной совместимости в электронной системе. Однако быстродействующая электронная система предъявляет новые требования к характеристикам и используемой конструкции фильтрующей емкости. Упрощенный модуль фильтрующей емкости показан на рисунке 2.

Он должен соответствовать следующему требованию:Z_C S // Z_L (Z_C =1/2πfC). Распространенное заблуждение указывает на то, что до тех пор, пока Z_C меньше Z_L , цель фильтрации емкости может быть достигнута. Фактически, параметры фильтрующей емкости не могут быть определены, если значения Z_S и Z_L решены.

Однако в высокоскоростной цепи ни Z_S ни Z_L это чистое сопротивление, нуждающееся в комплексных значениях. Тем временем Z_C не является чистой емкостью в высокоскоростной цепи, и необходимо учитывать как эквивалентное последовательное сопротивление, так и эквивалентную последовательную индуктивность. Все это трудности применения фильтрующих емкостей в быстродействующих электронных системах. Как только разработчики проигнорируют эти аспекты, между расчетами или результатами моделирования и практикой возникнут очевидные различия.

Силиконовая упаковка

Разработчики печатных плат, как правило, уделяют наибольшее внимание компоновке печатных плат и взаимосвязям между компонентами на печатных платах и ​​игнорируют важность упаковки компонентов. На самом деле, это может привести к серьезным результатам в проектировании высокоскоростных печатных плат. Силиконовая упаковка влияет на характеристики кремния через паразитную индуктивность, паразитное сопротивление и паразитную емкость, проходящие через соединительные линии и выводы. Эти параметры будут генерировать шум, задержку связи, скорость фронта и частотную характеристику. Возможно, паразитные параметры разных упаковок сильно различаются. Для кремния с одной и той же схемой и в разных упаковках их характеристики показывают разные характеристики.

Фактически, для высокоскоростной электронной системы дизайн кремния, дизайн упаковки и дизайн платы никогда не бывают независимыми друг от друга. Для расчетного потока на кремнии необходимо подобрать подходящий корпус в соответствии с печатной платой. На общую компоновку кремниевой конструкции влияют как технологии, так и элементы на уровне платы. Для кремниевой упаковки необходимо учитывать ее совместимость с печатной платой. Что еще более важно, подходящий пакет очень полезен с точки зрения целостности уровня платы и проблем EMC/EMI. Следовательно, силиконовую упаковку никогда нельзя игнорировать или презирать.

Помехи синфазного тока

В проводах передачи сигналов печатной платы существует дифференциальный ток, передающий полезные сигналы, и синфазный ток без полезной информации, оба из которых генерируют электромагнитное излучение.

Из-за относительно высокого тока дифференциальный ток был подчеркнут конструкторами схем с формированием теории и методов управления электромагнитным излучением дифференциального тока. В результате некоторые инструменты EDA имеют функции моделирования и прогнозирования текущего электромагнитного излучения в дифференциальном режиме. Однако, по сравнению с дифференциальным током, синфазный ток намного меньше, что легко приводит к игнорированию разработчиками электромагнитного излучения синфазного тока.

Тем не менее, согласно недавним исследованиям, хотя синфазный ток намного меньше, чем ток дифференциального режима, электромагнитные помехи, создаваемые первым, намного больше, чем интерференция последнего. До сих пор синфазное электромагнитное излучение стало одним из основных источников помех на высокоскоростных передовых печатных платах. Что еще хуже, генерация электромагнитного излучения синфазного тока имеет сложные причины, и ни моделирование, ни прогнозирование не могут быть достигнуты. Кроме того, исследования по контролю электромагнитного излучения синфазного тока все еще продолжаются.

Следовательно, при проектировании высокоскоростной печатной платы ненадежно моделировать и прогнозировать электромагнитное излучение, основываясь только на текущем электромагнитном излучении в дифференциальном режиме.

Полезные ресурсы
• Советы по быстродействующей компоновке
• Методы высокоскоростной разводки печатных плат для снижения влияния электромагнитных помех
• Исследования по проектированию высокоскоростных печатных плат во встраиваемых прикладных системах
• Дифференциальная изометрическая обработка и имитационная проверка проектирования высокоскоростных печатных плат
• Как проектировать плоскости изображения для высокоскоростных печатных плат
• Проблемы целостности сигнала при проектировании высокоскоростных печатных плат и их решения
• Подавление Метод отражения сигнала в высокоскоростной компоновке печатной платы
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатной платы в высокоскоростной цифро-аналоговой смешанной схеме
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки