Быстрые экспертные ответы на ключевые вопросы проектирования печатных плат

В1: Как выбрать материал печатной платы (PCB)?

О1: Материал PCB выбирается исключительно на основе баланса между требованиями дизайна, объёмом производства и стоимостью. Требования дизайна включают электрические элементы, которые должны быть серьезно учтены при высокоскоростном проектировании печатных плат. Кроме того, нужно учитывать, подходят ли диэлектрическая постоянная и диэлектрические потери для частоты.

В2: Как избежать высокочастотных помех?

О2: Ведущий принцип преодоления высокочастотных помех — максимальное снижение перекрёстных наводок (crosstalk), достижимое увеличением расстояния между высокоскоростными и аналоговыми сигналами или экранирующими/шунтирующими трассами рядом с аналоговыми сигналами. Кроме того, шумовые помехи от цифровой земли на аналоговую землю должны быть тщательно рассмотрены.

В3: Как размещать трассы, несущие дифференциальные сигналы?

О3: Два момента для трасс с дифференциальными сигналами. Во-первых, длина двух линий должна быть одинаковой; во-вторых, расстояние между ними должно сохранять параллельность.

В4: Как размещать трассы с дифференциальными сигналами, если на выходе только одна тактовая линия?

О4: Предикат размещения трасс с дифференциальными сигналами — и источник сигнала, и приёмный конец должны быть дифференциальными сигналами. Поэтому дифференциальная трассировка никогда не сработает на тактовых сигналах с только одним выходом.

В5: Можно ли добавить согласующее сопротивление между дифференциальной парой на приёмном конце?

О5: Согласующее сопротивление обычно добавляется между дифференциальной парой на приёмном конце, его значение равно дифференциальному импедансу. В результате качество сигнала улучшится.

В6: Почему трассы дифференциальной пары должны быть близко и параллельно?

О6: Трассы дифференциальной пары должны быть достаточно близко и параллельно. Расстояние между ними определяется дифференциальным импедансом — ключевым справочным параметром в дизайне дифференциальных пар.

В7: Как разрешить конфликты между ручной и автотрассировкой на высокоскоростных сигналах?

О7: Сейчас большинство автораутеров могут управлять методом прокладки проводов и количеством через отверстий через настройку ограничивающих условий. Все EDA-компании сильно отличаются в методах прокладки и настройке ограничений. Сложность автотрассировки тесно связана с способностью прокладки проводов. Проблема решается выбором роутера с высокой способностью прокладки.

В8: В высокоскоростном проектировании печатных плат пустая область сигнальных слоёв может быть покрыта медью. Как распределять медь на множественных сигнальных слоях для заземления и питания?

О8: Обычно полигон меди в пустой области соединяется с землёй. Расстояние между полигоном меди и сигнальными линиями должно быть строго спроектировано, так как полигон немного снижает характеристический импеданс. При этом характеристический импеданс других слоёв не должен влияться.

В9: Можно ли рассчитать характеристический импеданс на плоскости питания моделью микрополоски? Можно ли использовать модель микрополоски для сигналов между плоскостью питания и плоскостью земли?

О9: Да. В процессе расчёта характеристического импеданса и плоскость питания, и плоскость земли могут рассматриваться как опорная плоскость.

В10: Могут ли тестовые точки, сгенерированные автоматически на высокоплотной печатной плате, удовлетворить требования тестирования массового производства?

О10: Всё зависит от случая: совместимы ли правила тестовых точек с требованиями тестовых машин. Кроме того, если трассировка слишком плотная и правила тестовых точек очень строгие, может не быть способа разместить тестовые точки на каждом участке линии. Ручные методы можно использовать для дополнения тестовых точек.

В11: Может ли добавление тестовых точек влиять на качество высокоскоростных сигналов?

О11: Зависит от метода добавления тестовых точек и скорости сигналов. В основном тестовые точки добавляются путём подключения к линиям или вывода участка. Оба метода более или менее влияют на высокоскоростные сигналы, степень влияния связана с частотой и крутизной фронтов сигналов.

В12: Когда несколько печатных плат соединены в систему, как соединять линии земли каждой платы?

О12: По закону Кирхгофа для токов, когда питание или сигналы передаются от платы А к плате В, эквивалентное количество тока вернётся к плате А от плоскости земли, и ток на плоскости земли будет течь обратно по пути с наименьшим импедансом. Поэтому количество выводов, вносящих вклад в плоскость земли, никогда не должно быть слишком малым на каждом интерфейсе питания или сигнального соединения, чтобы снизить и импеданс, и шум на земле. Кроме того, нужно проанализировать весь токовый контур, особенно участок с наибольшим током, и скорректировать соединение плоскости земли или линий земли для управления током и снижения влияния на другие чувствительные сигналы.

В13: Можно ли добавлять линии земли в середину дифференциальных сигнальных линий?

О13: В основном линии земли нельзя добавлять среди дифференциальных сигнальных линий, потому что главное значение принципа дифференциальных сигнальных линий — преимущество, даваемое взаимной связанностью между ними, такое как компенсация потока, иммунитет к шумам и т.д. Эффект связанности будет разрушен, если добавить линии земли между ними.

В14: Какой принцип выбора подходящей печатной платы и точки заземления корпуса?

О14: Принцип — использовать заземление корпуса для предоставления пути с низким импедансом для возвращающегося тока и контроля пути этого тока. Например, винт обычно используется рядом с высокочастотным компонентом или генератором тактового сигнала для соединения плоскости земли печатной платы с заземлением корпуса, чтобы максимально уменьшить площадь всего токового контура, то есть снизить электромагнитные помехи.

В15: С чего начать отладку печатной платы?

О15: Для цифровой схемы нужно сделать следующее по порядку. Во-первых, все значения питания должны соответствовать требованиям дизайна в среднем. Во-вторых, все частоты тактовых сигналов должны нормально работать и не иметь проблемы немонотонности на фронте. В-третьих, сигналы сброса должны соответствовать стандартным требованиям. Если вышеперечисленное подтверждено, чип отправит сигналы в первом цикле. Затем отладка будет проводиться на основе протокола работы системы и протокола шины.

В16: Каков лучший способ проектирования высокоскоростной и высокоплотной печатной платы при фиксированной площади платы?

О16: В процессе высокоскоростного и высокоплотного проектирования печатных плат на перекрёстные наводки (crosstalk) нужно обратить особое внимание, так как они сильно влияют на тайминги и сигнальную целостность. Решения: 1) Контролировать непрерывность и согласование характеристического импеданса трассировки. 2) Обратить внимание на зазоры — обычно зазор в два раза ширина линии. 3) Выбрать правильные методы терминации. 4) Трассировка в смежных слоях в разных направлениях. 5) Использовать слепые/зарытые виа для увеличения площади трассировки. Кроме того, дифференциальная и общее-режимная терминации должны поддерживаться для снижения влияния на тайминги и сигнальную целостность.

В17: LC-цепь обычно применяется для фильтрации волн на аналоговом питании. Почему LC иногда работает лучше RC?

О17: Сравнение LC и RC должно основываться на предположении, подобраны ли подходяще частотная полоса и индуктивность. Реактивное сопротивление индуктивности коррелирует с индуктивностью и частотой. Если шумовая частота питания слишком низка и индуктивность недостаточно высока, LC работает хуже RC. Однако недостаток RC — резистор сам потребляет энергию с низкой эффективностью.

В18: Каков оптимальный способ достижения требований EMC без давления затрат?

О18: Плата стоит дороже из-за EMC обычно потому, что количество слоёв растёт для усиления экранирования, и готовятся компоненты вроде ферритовых бусин или дросселей для подавления высокочастотных гармоник. Другие экранирующие структуры на других системах также используются для EMC. Во-первых, компоненты с низкой крутизной фронтов (slew rate) применяйте максимально, чтобы снизить высокочастотные составляющие сигналов. Во-вторых, высокочастотные компоненты никогда не размещайте слишком близко к внешним разъёмам. В-третьих, согласование импеданса, слой трассировки и путь возвращающегося тока высокоскоростных сигналов тщательно проектируйте для сокращения высокочастотных отражений и излучения. В-четвёртых, достаточное количество развязывающих конденсаторов разместите на выводах питания для снижения шума на плоскостях питания и земли. В-пятых, земля у внешнего разъёма может быть отделена от плоскости земли, а заземление разъёма — близко к заземлению корпуса.

В19: Когда печатная плата имеет несколько цифровых/аналоговых модулей, обычное решение — разделять их. Почему?

О19: Причина разделения цифровых и аналоговых модулей — шум обычно генерируется на питании и земле при переключении высокого и низкого потенциала, а степень шума связана со скоростью сигнала и величиной тока. Если модули не разделены и шум цифрового модуля больше, а схема в аналоговой зоне похожа, даже если аналоговые и цифровые сигналы не пересекаются, аналоговые сигналы всё равно будут затронуты шумом.

В20: В высокоскоростном проектировании печатных плат как реализовать согласование импеданса?

О20: В высокоскоростном проектировании печатных плат согласование импеданса — одно из ведущих соображений. Импеданс имеет абсолютную связь с трассировкой. Например, характеристический импеданс определяется рядом элементов: расстоянием между микрополоской или полосой/двойной полосой и опорным слоем, шириной трассы, материалом печатной платы и т.д. Иначе говоря, характеристический импеданс никогда не может быть определён до трассировки. Главное решение — предотвращать возникновение разрывов импеданса максимально.

В21: В высокоскоростном проектировании печатных плат какие меры принимать с учётом EMC/EMI?

О21: Обычно дизайн EMI/EMC рассматривается с обоих аспектов: излучаемых и проводимых. Первое относится к части с более высокой частотой (более 30 МГц), второе — к более низкой (менее 30 МГц). Поэтому нужно замечать и высокочастотную, и низкочастотную части. Хороший дизайн EMI/EMC должен начинаться от размещения компонентов, стэка печатной платы, трассировки, выбора компонентов и т.д. Если эти аспекты упущены, затраты могут вырасти. Например, генератор тактов не должен быть близко к внешнему разъёму. Также точки соединения между печатной платой и корпусом должны быть правильно выбраны.

В22: Что такое топология трассировки?

О22: Топология трассировки, также называемая порядком трассировки, относится к порядку трассировки в сети с множественными терминаторами.

В23: Как скорректировать топологию трассировки для повышения сигнальной целостности?

О23: Этот тип сетевых сигналов настолько сложен, что топология разная в зависимости от разных направлений, уровней, видов сигналов. Поэтому трудно судить, какой тип сигналов полезен для качества сигнала.

В24: Какова причина полигона меди (copper coating)?

О24: Обычно есть несколько причин для полигона меди. Во-первых, крупногабаритный полигон земли или питания даст экранирующий эффект, а особая земля (например, PGND) может играть защитную роль. Во-вторых, для обеспечения высокой производительности гальванического напылений или предотвращения деформации при прессовке, медь должна покрывать плату с малой трассировкой. В-третьих, полигон меди вытекает из требований сигнальной целостности. Полный путь возврата должен быть предоставлен высокочастотным цифровым сигналам, а маршрутизация DC-сети должна быть снижена. Кроме того, теплоотвод также учитывается.

В25: Что такое возвращающийся ток (return current)?

О25: Когда высокоскоростные цифровые сигналы бегут, сигналы текут от драйверов к несущей линии вдоль линии передачи печатной платы, а затем возвращаются к терминалу драйвера по кратчайшему пути вдоль земли или питания. Возвращающиеся сигналы на земле или питании называются возвращающимся током.

В26: Сколько типов терминаций (terminals) существует?

О26: Терминация (matching) обычно классифицируется на source matching (источник) и terminal matching (приёмник). Первая — последовательное согласование резистором, вторая — параллельное согласование. Существует много методов: pull-up резистор, pull-down резистор, Тевененовское согласование, AC-согласование, согласование шоттки-диодом и др.

В27: Какие элементы определяют типы согласования?

О27: Тип согласования обычно определяется характеристиками буфера (BUFFER), топологией, классификацией уровней и типом суждения. Кроме того, коэффициент заполнения сигнала (duty cycle) и энергопотребление системы тоже учитываются.

В28: Какая инспекция должна проводиться на печатной плате перед выпуском с завода?

О28: Большинство производителей проводят контактный тест (on-off test) перед выпуском, чтобы убедиться, что все цепи правильно соединены. Некоторые передовые производители применяют рентгеновскую инспекцию для поиска дефектов травления или прессовки. Для продуктов, проходящих SMT-монтаж, обычно применяется ICT, что требует установки ICT-тестовых точек на фазе проектирования печатной платы. При проблемах также можно использовать специальный тип рентгеновской инспекции.

В29: Для схемы, составленной из нескольких печатных плат, должны ли они иметь общую землю?

О29: Схема из нескольких печатных плат обычно должна иметь общую землю, потому что непрактично применять несколько источников питания в одной схеме. Конечно, если условия позволяют, можно использовать разные питания — это поможет снизить помехи.

В30: Как система с DSP и PLD должна учитывать ESD?

О30: Для обычных систем участки с прямым контактом с человеком рассматриваются первыми, и надлежащая защита делается на схеме и структурах. Степень влияния ESD на систему обычно определяется по разным ситуациям. В сухой среде ESD ухудшается, особенно на более чувствительных системах. Хотя в крупных системах эффект ESD может быть неочевиден, больше внимания также нужно уделять.

В31: При 4-слойном проектировании печатной платы, какая сторона должна получать полигон меди с обеих сторон?

О31: Для полигона меди учитываются: экранирование, теплоотвод, усиление и требования производства печатной платы. Поэтому нужно рассматривать главную причину. Например, в высокоскоростном проектировании экранирование — приоритет. Поверхностное заземление полезно для EMC, полигон меди должен быть полностью выполнен во избежание «одиноких островков». Обычно, если на поверхности компонентов слишком много трассировки, трудно сохранить медильную фольгу целой. Поэтому платы с множеством поверхностных компонентов или большой трассировкой не рекомендуется покрывать полигоном меди.

В32: При трассировке тактового сигнала нужно ли добавлять экранирующее заземление с обеих сторон?

О32: Зависит от перекрёстных наводок или EMI платы. Если экранирующие линии земли не обработаны правильно, они наоборот дадут плохие эффекты.

В33: Какая стратегия трассировки тактовых сигналов для сигналов разных частот?

О33: Для трассировки тактовых линий сначала проводится анализ сигнальной целостности и манипулируются принципами трассировки. Затем реализуется трассировка на основе принципов.

Полезные ресурсы:
• How to Design High-Quality PCBs
• The Key PCB Design Rules You Have to Know
• Commonly Seen PCB Design Issues
• Possible Problems and Solutions in the Process of PCB Design
• PCB Design Elements Influencing SMT Manufacturing