Мастерство высокоскоростного проектирования печатных плат: распространенные заблуждения и проверенные стратегии

Насколько касается высокоскоростных электронных систем, успех проектирования печатных плат напрямую ведет к высокому решению проблем в системе электромагнитной совместимости (ЭМС) как в теории, так и в практике. Для достижения стандарта ЭМС высокоскоростное проектирование печатных плат сталкивается с серьезными вызовами, поэтому дизайнеры высокоскоростных печатных плат должны отказаться от традиционной философии и подходов проектирования в своем процессе. Данный материал в основном анализирует недопонимания и стратегии в процессе высокоскоростного проектирования печатных плат с практической точки зрения.

Диэлектрическая постоянная материала высокоскоростной печатной платы

На данный момент существует три основные техники проектирования высокоскоростных печатных плат: техника проектирования графика шума и задержки печатной платы, техника контроля импеданса и времени распространения задержки, и техника оценки с параметрами импеданса печатной платы, среди которых две последние являются сердцем изготовления печатных плат. Существует также множество техник передачи высокоскоростных печатных плат, и обычно используемые базовые структуры — микроленточная линия (microstrip) и полосовая линия (stripline). Для линий передачи высокоскоростных печатных плат Z₀ (параметр импеданса) и t_pd (время распространения задержки) — самые важные переменные. Фактически, если структура микроленточной линии отличается от полосовой линии, формула расчета также будет другой. Однако в любом случае импеданс всегда является геометрической структурой линии передачи. В большинстве случаев диэлектрическая постоянная части материала печатной платы влияет частота, площадь водопоглощения, температура и электрические характеристики. Для двухслойных или многослойных печатных плат их диэлектрическая постоянная влияет пропорция смолы и кремния в материале платы.

На сегодняшний день наиболее распространенным материалом печатных плат является FR4. Обычно поставщики материала указывают значения диэлектрической постоянной, на которых основываются проектные техники. В практических приложениях значения параметров обычно получаются при 1 МГц, тогда как в высокоскоростных ситуациях диэлектрическая постоянная 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 — самая высокая, В — средняя, С — самая низкая. Если операторы не замечают разницу, может произойти большое отклонение между результатами расчетов или симуляции и практическими ситуациями по импедансу и времени распространения задержки, что повлияет на проектирование целостности сигналов высокоскоростной системы.

Проблема угла 90°

Угол 90° в трассировке печатных плат следует избегать в большинстве документов, потому что он может привести к разрыву импеданса и излучению электромагнитных помех (EMI). С теоретической точки зрения, изменение ширины на углу 90° сравнительно велико, что приводит к большому импедансу и серьезному разрыву импеданса. С практической точки зрения, электромагнитная мощность склонна собираться в углу трассировки, и чем острее угол, тем больше собирается мощности. На основе вышеуказанного анализа излучение EMI становится наиболее заметным на углу 90°.

Но некоторые исследователи находят, что влияние угла 90° на импеданс находится в пределах 10%. Для ширины трассы 6 мил, если она становится критической длиной, то она будет в ТГц диапазоне. Так можно оценить, что угол 90° определенно приведет к разрыву импеданса в практических ситуациях.

Поэтому в практической трассировке печатных плат, по крайней мере в ГГц диапазоне, нет необходимости избегать угол 90° любой ценой.

Принцип 20-H

С появлением принципа 20-H от KNG он был принят как основной принцип для высокоскоростного проектирования печатных плат. Некоторые исследователи указывают, что этот принцип способен снизить окружающую электро磁密度 на соответствующих слоях печатной платы примерно на 70%. Кроме того, он также играет эффективную роль в снижении внешнего излучения EMI. Однако множество экспериментов не поддерживают ожидания исследователей.

Некоторые эксперименты показывают, что для двухслойных печатных плат принцип 20-H приводит к более серьезному излучению, а для многослойных печатных плат использование принципа 20-H во внутреннем диэлектрическом слое не приносит очевидного улучшения.

Параметры фильтрующих конденсаторов

Фильтрующий конденсатор — проверенная эффективная и экономичная мера для решения проблем ЭМС в электронной системе. Однако высокоскоростная электронная система выдвигает новые требования к производительности и применительному дизайну фильтрующих конденсаторов. Упрощенная модель фильтрующего конденсатора показана на рисунке 2.

Должно выполняться требование: Z_C < Z_S// Z_L (Z_C=1/2πfC). Распространенное недопонимание указывает, что пока Z_C меньше Z_L, цель фильтрующего конденсатора достигнута. На самом деле параметры фильтрующего конденсатора не могут быть определены, если не определены значения Z_S и Z_L.

Однако в высокоскоростной цепи ни Z_S, ни Z_L не являются чистым сопротивлением, нужны комплексные значения. В то же время Z_C не является чистой емкостью в высокоскоростной цепи, и как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), так и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) должны учитываться. Все это — трудности в применении фильтрующих конденсаторов в высокоскоростных электронных системах. Если дизайнеры игнорируют эти аспекты, возникнут очевидные различия между расчетами или результатами симуляции и практикой.

Кремниевая упаковка (Silicon Packaging)

Проектировщики печатных плат склонны уделять больше всего внимания разводке печатных плат и межсоединениям между компонентами на платах, игнорируя значимость упаковки компонентов. На самом деле это может дать серьезные результаты для высокоскоростного проектирования печатных плат. Кремниевая упаковка влияет на производительность кремния через паразитную индуктивность, паразитное сопротивление и паразитную емкость, проходящие через соединительные линии и выводы. Эти параметры генерируют шум, задержку коммуникации, скорость фронта и частотный отклик. Паразитные параметры разных упаковок могут сильно отличаться. Для кремния с той же схемой и разной упаковкой их производительность показывает разные особенности.

На самом деле, для высокоскоростной электронной системы кремниевый дизайн, дизайн упаковки и дизайн уровня платы никогда не независимы друг от друга. Для потока дизайна на кремнии подходящий корпус должен быть выбран в соответствии с печатной платой. Общая компоновка кремниевого дизайна влияется как техниками, так и элементами уровня платы. Для кремниевой упаковки ее соответствие с печатной платой — элемент, который должен учитываться. Что более важно, подходящий корпус сильно помогает в плане целостности уровня платы и проблем ЭМС/EMI. Следовательно, кремниевая упаковка никогда не должна игнорироваться или пренебрегаться.

Помехи излучения общего режима тока (Common-Mode Current Radiation Interference)

В сигнальных передающих выводах печатной платы существует дифференциальный ток, передающий полезные сигналы, и ток общего режима без полезной информации, оба из которых генерируют EMI излучение.

Из-за своего сравнительно высокого тока дифференциальный ток был подчеркнут схематиками с формированием теории и техник контроля излучения EMI дифференциального тока. В результате некоторые EDA инструменты имеют функции симуляции и предсказания излучения EMI дифференциального тока. Однако по сравнению с дифференциальным током, ток общего режима намного меньше, что легко приводит к игнорированию дизайнерами излучения EMI тока общего режима.

Тем не менее, согласно недавним исследованиям, хотя ток общего режима намного меньше дифференциального, излучение EMI, генерируемое первым, намного больше, чем вторым. До сих пор излучение EMI тока общего режима стало одним из основных источников излучения-помех на высокоскоростных передовых печатных платах. Что хуже, генерация излучения EMI тока общего режима имеет сложные причины, и ни симуляция, ни предсказание не могут быть достигнуты. Кроме того, исследование контроля излучения EMI тока общего режима все еще на пути.

Поэтому при проектировании высокоскоростной печатной платы ненадежно симулировать и предсказывать излучение EMI, основываясь только на излучении EMI дифференциального тока.

Полезные ресурсы:
• Советы по разводке высокоскоростных плат
• Техники трассировки высокоскоростных печатных плат для снижения влияния EMI
• Исследование высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах
• Дифференциальная изометрическая обработка и верификация симуляции высокоскоростного проектирования печатных плат
• Как проектировать образные плоскости для высокоскоростных печатных плат
• Проблемы высокоскоростного проектирования печатных плат на целостности сигналов и их решения
• Метод подавления отражения сигналов в разводке высокоскоростных печатных плат
• Анализ целостности сигналов и проектирование печатных плат на высокоскоростных цифро-аналоговых смешанных схемах
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множественные ценности
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки