El papel del diseño de circuitos impresos de alta velocidad
Un encaminamiento adecuado garantiza la integridad de la señal, mejora la compatibilidad electromagnética (CEM) y la fiabilidad del sistema.
1. Garantizar la integridad de la señal
Una estrategia de enrutamiento bien diseñada puede minimizar la reflexión de la señal y la diafonía, garantizando la transmisión estable de datos de alta velocidad (como USB 3.0, HDMI, etc.) en la placa de circuito impreso.
2. Compatibilidad electromagnética
Si se adopta un sistema de rejilla razonable para estandarizar los canales de enrutamiento, se pueden reducir los conflictos de espaciado entre componentes; la señalización diferencial, las capas de blindaje y los planos de tierra de alimentación pueden minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI).
3. Fiabilidad del sistema
Controlando la densidad de enrutamiento y la utilización de recursos, se pueden minimizar las rutas redundantes y reducir los costes; las vías ciegas y las vías enterradas pueden optimizar el enrutamiento de alta densidad. Los diseños de rejilla normalizados pueden evitar riesgos de cortocircuito.
Fundamentos del diseño de PCB de alta velocidad
1. Elementos clave de la integridad de la señal (SI)
- Efectos de las líneas de transmisión: Las señales de alta frecuencia requieren tener en cuenta la teoría de las líneas de transmisión para controlar la adaptación de la impedancia característica.
- Supresión de reflejos: Utiliza resistencias de terminación para reducir la reflexión de la señal
- Control de diafonía: Aplica la regla de los 3W para minimizar la diafonía en el extremo cercano (NEXT) y en el extremo lejano (FEXT).
2. Fundamentos de la integridad de la energía (PI)
- Red de distribución de energía (PDN): Optimizar el diseño del plano de potencia-tierra
- Condensadores de desacoplamiento: Implementa redes de desacoplamiento con combinaciones "10μF+0,1μF+0,01μF".
- Ruido de conmutación simultánea (SSN): Reducir el impacto de la salida de conmutación simultánea (SSO) mediante un diseño adecuado
1. Estructura de apilamiento de la placa multicapa
- Apilamiento típico: Configuración recomendada de 8 capas (superior-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-inferior)
- Control de impedancia: Consigue una impedancia de 50Ω en terminación única y 100Ω en diferencial gracias al diseño apilado.
- Materiales dieléctricos: Seleccione materiales para placas de alta frecuencia con baja constante dieléctrica (Dk) y bajo factor de disipación (Df).
2. Aplicación avanzada de la regla 20H
- Indentación del plano de potencia: El plano de potencia debe tener una sangría de 20H con respecto al plano de tierra.
- Supresión EMI: Reduce eficazmente la radiación de los bordes entre 30 y 40 dB.
- Dispositivos móviles: Añadir anillos de protección y vías de costura
Técnicas de encaminamiento de señales de alta velocidad
1. Enrutamiento de señalización diferencial
- Coincidencia de longitud: Control de la coincidencia de la longitud del par diferencial dentro de ±5 milímetros
- Ajuste de fases: Mantener diferencia de fase entre señales positivas/negativas <5ps
- Retardo intrapar: Control estricto de la desviación intrapareja
2. Tratamiento especial de las señales de reloj
- Guarda rastros: Coloca trazas de protección de tierra a ambos lados de las líneas de reloj
- Técnicas de terminación: Utilice la terminación de origen o la terminación final
- Control de fluctuaciones: Reducción de la fluctuación de tiempo mediante redes de distribución de reloj de baja fluctuación
Optimización de la integridad energética
1. Diseño de redes de distribución de energía (PDN)
- Impedancia objetivo: Mantener la impedancia PDN por debajo del valor objetivo en todas las frecuencias.
- Capacitancia plana: Utiliza la capacitancia nativa entre los planos de potencia y tierra
- Cobertura de frecuencias: La red de desacoplamiento debe cubrir la gama de DC a GHz
2. Supresión del ruido de conmutación simultánea (SSN)
- Segmentación de potencia: Segmentar correctamente diferentes dominios de tensión
- Ruta de retorno: Asegúrese de que las señales de alta velocidad tengan vías de retorno de baja impedancia
- Mediante colocación: Vías de potencia suficientes para reducir la inductancia del bucle
Diseño EMC/EMI
1. Diseño de compatibilidad electromagnética (CEM)
- Control de la radiación: Reduce las emisiones radiadas mediante la regla 20H y las trazas de protección
- Circuitos sensibles: Implementación de blindaje para circuitos sensibles a RF
- Diseño del filtro: Instale filtros de tipo π o T en las interfaces de E/S.
2. Optimización del sistema terrestre
- Conexión a tierra híbrida: Aplicar una estrategia híbrida de conexión a tierra para circuitos digitales/analógicos
- Control de segmentación: Evita el rebote en tierra causado por una segmentación incorrecta del plano de tierra
- Conexión a tierra multipunto: Utilice tomas de tierra multipunto para circuitos de alta frecuencia.
Verificación de diseño de PCB a alta velocidad
1. Análisis de la integridad de la señal (SI)
- Análisis en el dominio del tiempo: Evalúa la calidad de la señal mediante diagramas oculares
- Análisis en el dominio de la frecuencia: Análisis de las características de transmisión mediante parámetros S
- Verificación por simulación: Realice simulaciones previas y posteriores al trazado con HyperLynx o ADS.
2. Verificación de la integridad de la energía (PI)
- Pruebas de impedancia: Realiza pruebas de impedancia PDN desde el VRM al chip
- Medición del ruido: Mide el rizado de potencia y el ruido
- Análisis térmico: Evaluar el aumento de temperatura de las trazas de alta corriente
1. Diseño para la fabricación (DFM)
- Control de anchura de traza: Considerar los efectos del factor de grabado
- Relación de aspecto: Mantenga una relación entre el grosor de la placa y el diámetro del orificio <8:1
- Acabado superficial: Prefiera acabados superficiales ENIG o plata de inmersión
2. Selección de materiales
Aplicando estos principios de diseño de PCB de alta velocidad y técnicas de optimización de palabras clave, se puede mejorar significativamente la integridad de la señal, la integridad de la potencia y el rendimiento EMC de las PCB de alta velocidad. Durante el proceso de diseño, debe prestarse especial atención a factores clave como el control de la impedancia, la reducción de la diafonía y la optimización de la integridad de la potencia, al tiempo que se utilizan métodos de simulación y medición para la verificación.
Consideraciones clave para el diseño de circuitos impresos de alta velocidad
Control de la impedancia y selección de la línea de transmisión
El control de la impedancia es fundamental en PCB de alta velocidad diseño. Seleccione la estructura de línea de transmisión adecuada (por ejemplo, microstrip o stripline) en función de la frecuencia de la señal, el grosor de la placa y la constante dieléctrica. Utilice herramientas de cálculo de impedancia (como Polar SI9000 o la calculadora integrada de Altium Designer) para determinar con precisión la impedancia de la traza y asegurarse de que cumple los requisitos de diseño. Por ejemplo, los pares diferenciales suelen requerir una impedancia de 90Ω o 100Ω, lo que exige un control estricto de la anchura y el espaciado de la traza. Evite las discontinuidades de impedancia causadas por curvas en ángulo recto, vías, bifurcaciones o cambios repentinos en la anchura de la traza, ya que pueden provocar reflexiones de la señal y degradar la integridad.
Estrategias de encaminamiento para reducir la diafonía
La diafonía es una de las principales amenazas para la integridad de la señal de alta velocidad. Para minimizar su impacto:
- Aumentar la distancia entre trazas: Siga la regla 3W (separación de trazas adyacentes ≥ 3× ancho de traza) para reducir el acoplamiento electromagnético.
- Utilizar señalización diferencial: Los pares diferenciales (p. ej., USB, PCIe, LVDS) suprimen eficazmente el ruido de modo común, pero requieren una anchura y espaciado de traza de adaptación de impedancia precisos, así como una adaptación de longitud estricta.
- Añadir capas de blindaje: Coloque planos de tierra (GND) alrededor de las señales sensibles (por ejemplo, líneas de reloj, señales de RF) para aislar las interferencias externas.
- Evitar trazados paralelos largos: El trazado en paralelo aumenta el acoplamiento; en su lugar, opta por cruces ortogonales o un mayor espaciado.
Atenuación de las reflexiones y optimización de la integridad de la señal
Las reflexiones de la señal pueden causar sobreimpulsos, zumbidos y otros problemas de estabilidad. Los métodos de optimización incluyen:
- Control de la longitud de la traza: Las señales de alta velocidad (p. ej., DDR, HDMI) requieren un ajuste de longitud estricto para evitar la desviación de temporización debida a los retardos de propagación.
- Adaptación de impedancias con resistencias de terminación: Elija el método de terminación adecuado (terminación en serie, en paralelo o Thevenin) en función de las características de la línea de transmisión para eliminar las reflexiones.
- Optimización de los planos de potencia y tierra: Utilice capas de alimentación de baja impedancia y planos de tierra sólidos, junto con condensadores de desacoplamiento estratégicamente colocados (por ejemplo, combinaciones de 0,1μF y 10μF), para reducir el ruido de alimentación.
Diseño final y verificación
Una vez completado el enrutamiento, realice una comprobación de las reglas de diseño (DRC) para garantizar el cumplimiento de los requisitos de fabricación de PCB. Utilice herramientas de simulación SI/PI (integridad de la señal/integridad de la alimentación) (por ejemplo, HyperLynx o ADS) para validar las rutas de señales críticas e identificar posibles problemas con antelación.
La aplicación de estas medidas permite mejorar notablemente la calidad de la señal en las placas de circuito impreso de alta velocidad, garantizando la estabilidad y fiabilidad del sistema.
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