Betydningen af højhastigheds PCB-routing-design
Korrekt routing sikrer signalintegritet, forbedrer elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og forbedrer systemets pålidelighed.
1. Sikring af signalintegritet
En veldesignet routing-strategi kan minimere signalrefleksion og krydstale og sikre stabil transmission af højhastighedsdata (såsom USB 3.0, HDMI osv.) på printkortet.
2. Elektromagnetisk kompatibilitet
Ved at anvende et rimeligt gittersystem til at standardisere routingkanaler kan konflikter om komponentafstand reduceres; differentiel signalering, afskærmningslag og strømjordplaner kan minimere elektromagnetisk interferens (EMI).
3. Systemets pålidelighed
Ved at kontrollere routingtæthed og ressourceudnyttelse kan overflødige stier minimeres og omkostningerne reduceres; blinde vias og nedgravede vias kan optimere routing med høj tæthed. Standardiserede gitterlayouts kan forhindre kortslutningsrisici.
Grundlæggende om højhastigheds PCB-design
1. Nøgleelementer i signalintegritet (SI)
- Effekter af transmissionslinjer: Højfrekvente signaler kræver overvejelse af transmissionslinjeteori for at kontrollere karakteristisk impedanstilpasning
- Undertrykkelse af refleksion: Brug afslutningsmodstande for at reducere signalreflektion
- Kontrol af krydstale: Anvend 3W-reglen for at minimere nær-overhøring (NEXT) og fjern-overhøring (FEXT).
2. Grundlæggende om strømintegritet (PI)
- Strømforsyningsnetværk (PDN): Optimer design af strøm-jordplan
- Afkoblingskondensatorer: Implementer afkoblingsnetværk med "10μF+0,1μF+0,01μF"-kombinationer
- Støj fra samtidige skift (SSN): Reducer påvirkningen af SSO (simultaneous switching output) gennem korrekt layout
1. Struktur for opstabling af flerlagskort
- Typisk opstilling: Anbefalet 8-lags konfiguration (top-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-bund)
- Impedans-kontrol: Opnå 50Ω single-ended og 100Ω differential impedans gennem stackup-design
- Dielektriske materialer: Vælg højfrekvente kortmaterialer med lav dielektrisk konstant (Dk) og lav dissipationsfaktor (Df).
2. Avanceret anvendelse af 20H-reglen
- Indrykning af kraftplan: Power-planet skal være 20H indrykket i forhold til jordplanet.
- Undertrykkelse af EMI: Reducerer effektivt kantstråling med 30-40 dB
- Mobile enheder: Tilføj beskyttelsesringe og syning af vias
Teknikker til højhastigheds-signalføring
1. Differentiel signalføring
- Matchende længde: Kontrol af differentialparrets længde inden for ±5mil
- Fasematchning: Oprethold faseforskel mellem positive/negative signaler <5ps
- Forsinkelse inden for parret: Strengt kontrolleret intra-par skævhed
2. Særlig håndtering af clock-signaler
- Beskyt sporene: Placer jordbeskyttelsesbaner på begge sider af urlinjerne
- Afslutningsteknikker: Brug kildeafslutning eller slutafslutning
- Jitter-kontrol: Reducer timing-jitter gennem distributionsnetværk med lavt jitter-ur
Optimering af strømintegritet
1. Design af strømforsyningsnetværk (PDN)
- Mål-impedans: Oprethold PDN-impedansen under målværdien på tværs af alle frekvenser
- Kapacitans i plan: Udnyt den indbyggede kapacitans mellem strøm-jord-planerne
- Frekvensdækning: Afkoblingsnetværket skal dække området fra DC til GHz
2. Undertrykkelse af støj fra samtidige skift (SSN)
- Effektsegmentering: Segmenter forskellige spændingsdomæner korrekt
- Retursti: Sørg for, at højhastighedssignaler har lavimpedante returveje
- Via placering: Tilstrækkelige power vias til at reducere loop-induktans
EMC/EMI-design
1. Design af elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
- Kontrol af stråling: Reducer udstråling ved hjælp af 20H-reglen og beskyttelsesspor
- Følsomme kredsløb: Implementer afskærmning til RF-følsomme kredsløb
- Design af filter: Installer filtre af π-typen eller T-typen ved I/O-grænseflader
2. Optimering af jordsystemet
- Hybrid jordforbindelse: Implementer en hybrid jordingsstrategi for digitale/analoge kredsløb
- Kontrol af segmentering: Undgå ground bounce forårsaget af forkert segmentering af jordplanet
- Jordforbindelse med flere punkter: Brug flerpunktsjording til højfrekvente kredsløb
Verifikation af PCB-design i høj hastighed
1. Analyse af signalintegritet (SI)
- Analyse af tidsdomæne: Evaluer signalkvaliteten ved hjælp af øjendiagrammer
- Analyse af frekvensdomæne: Analyser transmissionskarakteristika ved hjælp af S-parametre
- Verifikation af simulering: Udfør præ-layout- og post-layout-simuleringer med HyperLynx eller ADS
2. Verifikation af strømforsyningsintegritet (PI)
- Test af impedans: Udfør PDN-impedanstests fra VRM til chip
- Måling af støj: Mål strømkrusning og støj
- Termisk analyse: Evaluer temperaturstigning af højstrømsspor
1. Design til fremstilling (DFM)
- Kontrol af sporbredde: Overvej effekter af ætsningsfaktor
- Billedformat: Oprethold forholdet mellem pladetykkelse og huldiameter <8:1
- Overfladefinish: Foretrækker ENIG- eller sølvoverfladebehandlinger
2. Valg af materiale
Ved at anvende disse principper for layout af højhastigheds-PCB'er og teknikker til optimering af nøgleord kan signalintegriteten, effektintegriteten og EMC-ydelsen for højhastigheds-PCB'er forbedres betydeligt. Under designprocessen skal man være særlig opmærksom på nøglefaktorer som impedanskontrol, reduktion af krydstale og optimering af strømintegritet, samtidig med at man bruger simulerings- og målemetoder til verificering.
Vigtige overvejelser for højhastigheds PCB-routing-design
Impedansstyring og valg af transmissionslinje
Impedansstyring er afgørende i højhastigheds-PCB design. Vælg den passende transmissionslinjestruktur (f.eks. microstrip eller stripline) baseret på signalfrekvens, pladetykkelse og dielektrisk konstant. Brug impedansberegningsværktøjer (f.eks. Polar SI9000 eller Altium Designers indbyggede beregner) til præcist at bestemme sporimpedansen og sikre, at den opfylder designkravene. For eksempel kræver differentielle par typisk 90Ω eller 100Ω impedans, hvilket nødvendiggør streng kontrol over sporbredde og -afstand. Undgå impedansdiskontinuiteter forårsaget af retvinklede bøjninger, vias, forgreninger eller pludselige ændringer i sporbredden, da disse kan føre til signalrefleksioner og forringet integritet.
Routing-strategier til at reducere krydstale
Crosstalk er en stor trussel mod signalintegriteten ved høj hastighed. For at minimere dens indvirkning:
- Øg afstanden mellem sporene: Følg 3W-reglen (tilstødende sporafstand ≥ 3× sporbredde) for at reducere elektromagnetisk kobling.
- Brug differentiel signalering: Differentielle par (f.eks. USB, PCIe, LVDS) undertrykker effektivt common-mode-støj, men kræver præcis impedanstilpasning af sporbredde og -afstand samt streng længdematchning.
- Tilføj afskærmende lag: Før stelplader (GND) rundt om følsomme signaler (f.eks. clock-linjer, RF-signaler) for at isolere ekstern interferens.
- Undgå lange parallelle spor: Parallel routing øger koblingen - vælg ortogonale krydsninger eller øget afstand i stedet.
Reducering af refleksioner og optimering af signalintegritet
Signalrefleksioner kan forårsage overshoot, ringning og andre stabilitetsproblemer. Optimeringsmetoderne omfatter:
- Styring af sporlængde: Højhastighedssignaler (f.eks. DDR, HDMI) kræver streng længdematchning for at forhindre tidsforskydning på grund af spredningsforsinkelser.
- Impedanstilpasning med afslutningsmodstande: Vælg den passende termineringsmetode (serie-, parallel- eller Thevenin-terminering) baseret på transmissionslinjens egenskaber for at eliminere refleksioner.
- Optimering af strøm- og jordplaner: Brug effektlag med lav impedans og solide jordplaner sammen med strategisk placerede afkoblingskondensatorer (f.eks. kombinationer af 0,1 μF og 10 μF) for at reducere effektstøj.
Endeligt design og verifikation
Når du er færdig med routing, skal du udføre en Design Rule Check (DRC) for at sikre, at PCB-produktionskravene overholdes. Brug SI/PI (Signal Integrity/Power Integrity)-simuleringsværktøjer (f.eks. HyperLynx eller ADS) til at validere kritiske signalveje og identificere potentielle problemer tidligt.
Ved at gennemføre disse foranstaltninger kan signalkvaliteten i højhastigheds-PCB'er forbedres betydeligt, hvilket sikrer systemets stabilitet og pålidelighed.
Relaterede anbefalinger
Guide til design og layout af højfrekvente printkort
PCB til sammenkobling med høj densitet
Design af PCB-layout