Оптимизация высокоскоростного проектирования печатных плат для встроенных систем

Проектирование системной схемы

Современная электронная система развивается в направлении малого корпуса, большого масштаба и высокой скорости, так как плотность чипов становится все более большой в сверхбольших интегральных схемах (SLSI), что порождает неизбежные проблемы, такие как анализ и обработка взаимосвязей и проблем структуры слоев в высокоскоростном проектировании схем. В настоящее время радиочастота электронных продуктов достигает сотен или тысяч МГц, а передние и задние фронты становятся настолько крутыми, что правила компоновки печатных плат и диэлектрическая постоянная материала подложки являются крайне критичными для электрической производительности системы в процессе проектирования таких продуктов.

Как значительный процесс и шаг в большинстве современных исследований электронных продуктов, высокоскоростное проектирование печатных плат имеет основные проблемы, включая проблемы синхронизации, шумовые помехи и ЭМИ (электромагнитные помехи), решения которых связаны с нормальной работой системного дизайна.

Теперь традиционные методы проектирования приводят к низкой надежности и успеху продуктов, что обеспечивает высокую практическую ценность и широкие рыночные ожидания для исследований высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах.

Рисунок 1 показывает функциональную структуру встроенного RTU (удаленного терминального блока).

Из рисунка 1 видно, что эта система представляет собой вертикальную коммуникационную структуру, состоящую из слоя накопления данных, содержащего блок электроэнергии, блок датчиков и блок измерения аналоговых величин; слоя передачи данных, содержащего шлюз, который регулирует данные в слое накопления через команду от интернет-центра приема инженера; и слоя обработки данных, реализуемого ПО мониторинга APP, сохраняющим и анализирующим данные в реальном времени и строящим графики данных, обращенные к пользовательскому интерфейсу, чтобы гибкость и эффективность администрирования накопления данных были повышены.

Аппаратная структура RTU-системы

Аппаратная часть этой встроенной IoT RTU-системы состоитmainly из USB2.0, процессора AT91SAM9263, CAN, SDRAM, Nand Flash, Data Flash, контроллера Ethernet, тактового чипа, интерфейса RS232/485, управления питанием и частей накопления данных.

Работающая под управлением ОС Linux, этот дизайн обладает более высокими возможностями управления памятью и устройствами, поэтому реализуется многозадачное планирование в реальном времени, содержащее сложные алгоритмы и протоколы связи, отвечающие за сетевое соединение, передачу данных и конфигурационное накопление. Рисунок 2 — печатная плата RTU, спроектированная в статье.

Поддерживающая стек IPv6 и IPv4, эта система способна реализовывать оперативность и способность в реальном времени. В плане хранения данных, требование локального хранения может быть выполнено при условии блокировки связи. В плане коммуникационного интерфейса, она обладает разными интерфейсами полевой передачи данных, включая RS485, RS232 и CAN, поддерживает протокол Modbus RTU и удовлетворяет требования разных интерфейсов и разных скоростей связи.

Проектирование печатной платы RTU-системы

Проектирование структуры слоев (Stackup) печатной платы системы

Количество слоев печатных плат обычно в диапазоне от 2 до 32 в зависимости от сложности проектирования. 6-слойная печатная плата в этом дизайне определена согласно плотности корпуса компонентов, малому пространству трассировки и высокой частоте сигналов. Распределение слоев этой печатной платы показано на рисунке 3.

Конфигурация полосовых линий (strip lines) выбрана для FLASH и SDRAM в этой системе, и трассировка выполняется на внутренних сигнальных слоях 1 и 2.

Правила ограничений печатной платы в этой системе

При высокоскоростном проектировании печатных плат непрерывность импеданса и ЭМИ сильно влияют на интервал, длину и ширину проводов и смежную обработку петель. Качество компоновки компонентов и трассировки связано с успехом окончательного дизайна, поэтому правила ограничений печатной платы должны быть разумно установлены.

HyperLynx обладает функциональностью анализа диаграмм помех, и модель IBIS может применяться для точной симуляции потерь передачи, дифференциальных сигналов и модели металлизированных отверстий, меняющейся с частотой. Основная сеть симулируется до трассировки с помощью Line для улучшения структуры стека печатной платы и импеданса трассировки, а правила ограничений трассировки сети высокоскоростной печатной платы проектируются до симуляционного результата для повышения эффективности проектирования.

Симуляция печатной платы этой системы

В процессе высокоскоростного проектирования печатных плат идеальная модель линии передачи применяется для фронтенд-симуляции с ограниченными сигнальными линиями, симулируемыми за один раз. Однако линии передачи на бэкенде печатной платы являются фактическими трассировочными линиями печатной платы с влиянием металлизированных отверстий и смещения плоскостей. При этих обстоятельствах полученный симуляционный результат крайне надежен.

В процессе проектирования ключевой схемы системы, терминальное согласовательное сопротивление однополярного сигнала требуется в диапазоне 40–60 Ом, а порог перекрестных помех между сигнальными линиями — 165 мВ. Кроме того, чтобы сетевые контроллеры DM9000 и DM9161 были самоадаптивными для скорости связи 100 Мбит/с, дифференциальный импеданс должен быть в категории 100±5 Ом. Симуляция печатной платы реализуется программным обеспечением HyperLynx от Mentor Graphics для SDRAM, дифференциальных линий Ethernet, целостности питания и ЭМС.

а. Проектирование SDRAM

В процессе проектирования полосовых линий перекрестные помехи и металлизированные отверстия — основные причины, ведущие к временной задержке. Даже если печатная плата выполнена в соответствии с правилами трассировки, определенными инструментами симуляции Line, некоторые проблемы неизбежны, такие как слишком много выводов компонентов и ограниченные размеры печатной платы. Поэтому необходимо подходяще симулировать множественные сети через инструменты Board simulation.

На основании результата симуляции интенсивность перекрестных помех аналоговых сетей EBI_D0 и EBI_D2 превышает 165 мВ. Две сети атакуют EBI_D1 и ищут место связности, потому что интервал между змеевидными линиями в отмеченной желтой области непригоден. Можно проиллюстрировать, что увеличение интервала трассировки поможет устранить такую проблему. Однако то, что нас действительно волнует, — почему жертва сети страдает от такой сильной помехи. Причина, возможно, лежит в неподходящем выборе резистора, приводящем к несоответствию импеданса. До сих пор определенное сопротивление терминального резистора составляет 43,1 Ом. В условии возбуждения 220 МГц, аналитический симуляционный волновой формы сети EBI_D1 показан на рисунке 4.

На основе рисунка 4, разрыв импеданса происходит на линии передачи EMI_D1, и сигнальные волны деформируются. Хотя системный сбой запуска не может быть вызван, стабильность работы продукта едва ли может быть гарантирована. Возврат к Board simulation, через отверстия и поврежденную симуляцию применяются для изменения терминального сопротивления EBI_D0 и EBI_D1 на 46,9 Ом. Поэтому симуляционная диаграмма перекрестных помех после изменения сопротивления показана на рисунке 5.

На основе этой фигуры можно проиллюстрировать, что сетевой сигнал улучшен, а интенсивность помех, возникающих на EBI_D1, заметно снижена.

б. Проектирование дифференциальной шины Ethernet

С атрибутами высокой скорости и 3GIO взаимосвязей, модуль Board simulation, разработанный HyperLynx, применяет сверхбыстрый последовательный путь данных и технологию синхронизации источника на основе дифференциальной сигнальной шины, предоставляя удобную и высокоэффективную решающую схему для высокоскоростного проектирования печатных плат. И DM9000, и DM9161 в этой системе имеют две пары высокоскоростных дифференциальных сигнальных шин: TX+, TX- и RX+, RX- с дифференциальным импедансом 100 Ом. Согласно теории передачи, дифференциальный импеданс может быть рассчитан на основе формулы: .

В этой формуле Z относится к импедансу передачи каждой сигнальной линии, имеющему решающее влияние на дальность связи и шумозащищенность. Здесь DM9000 выбран для передачи дифференциального сигнала в сеть TP_E_TX+ и TP_E_TX-. Для уменьшения эффекта отражения резистор 100 Ом размещается параллельно на сигнальных линиях с применением металлизированных отверстий.

в. Проектирование целостности питания этой системы

Рисунок 6 — базовая модель распределения питания, в которой ток передается к каждому носителю через слои питания, а затем к заземляющему слою.

В процессе высокоскоростного проектирования печатных плат энергопотребление в каждом блоке должно быть рассчитано в системе схем с правильным распределением ширины сети питания и подходящим усилением.

Целостность питания 6 слоев может быть обобщена как следующее: максимальное падение напряжения — 2,1 мВ, близко к 0,06%; максимальная плотность тока — 16,3 мА/м²; в подходящей категории, если плотность тока превышает 50 мА/м², температура печатной платы поднимется, что повлияет на основной чип и сигнальные линии в процессе работы. Увеличение ширины меди способно снизить плотность тока, а увеличение толщины сигнальных проводников полезно для снижения температуры печатной платы.

г. Анализ электромагнитной совместимости системы

Электромагнитные помехи обычно передаются как несущая с полезными сигналами способом связности. В этом дизайне программное обеспечение HyperLynx применяется для анализа интенсивности излучения печатной платы после предварительного дизайна. Ключевая сигнальная линия D4 выбрана между ARM9 и SDRAM с позициями зондов 3 м и 10 м соответственно. При условии источника возбуждения 220 МГц, могут быть получены данные симуляции по международным стандартам FCC и CISPR, показанные на рисунке 7.

На основании результата симуляции, короткое расстояние до печатной платы приводит к высокому излучению от печатной платы, и излучение меняется с изменением частот сигналов. В процессе высокоскоростного проектирования схем, антипомеховая устойчивость печатной платы может быть оптимизирована, а шумовое излучение должно быть снижено.

Полезные ресурсы

• Советы по компоновке высокоскоростных печатных плат
• Техники трассировки высокоскоростных печатных плат для снижения влияния ЭМИ
• Недопонимания и стратегии в проектировании высокоскоростных печатных плат
• Технология производства печатных плат со встроенными компонентами
• Встроенные технологии и процедура монтажа печатных плат со встроенными компонентами
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки