Nopea PCB-layout-suunnittelu

Suurnopeuspiirilevyjen reitityssuunnittelun rooli

Asianmukainen reititys varmistaa signaalien eheyden, parantaa sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) ja parantaa järjestelmän luotettavuutta.

1. Signaalin eheyden varmistaminen

Hyvin suunniteltu reititysstrategia voi minimoida signaalin heijastuksen ja ristikkäisviestinnän, mikä varmistaa nopeiden tietojen (kuten USB 3.0, HDMI jne.) vakaan siirron piirilevyllä.

2. Sähkömagneettinen yhteensopivuus

Kun reitityskanavien standardoimiseksi otetaan käyttöön järkevä verkkojärjestelmä, komponenttien välisiä ristiriitoja voidaan vähentää; erisignaalien, suojauskerrosten ja tehon maadoitustasojen avulla voidaan minimoida sähkömagneettiset häiriöt (EMI).

3. Järjestelmän luotettavuus

Ohjaamalla reititystiheyttä ja resurssien käyttöä voidaan minimoida tarpeettomat reitit ja vähentää kustannuksia; sokeat läpiviennit ja upotetut läpiviennit voivat optimoida tiheän reitityksen. Standardoidut verkkoasettelut voivat estää oikosulkuriskit.

Nopean piirilevysuunnittelun perusteet

1. Signaalin eheyden (SI) keskeiset elementit

• Siirtojohdon vaikutukset: Korkeataajuussignaalit edellyttävät siirtojohtoteorian huomioon ottamista ominaisimpedanssin sovittamisen hallitsemiseksi.
• Heijastuksen esto: Käytä terminointivastuksia signaalin heijastuksen vähentämiseksi.
• Ristiriitojen hallinta: Sovella 3W-sääntöä minimoidaksesi lähiristiriitoja (NEXT) ja kaukoristiriitoja (FEXT).

2. Virran eheyden (PI) perusteet

• Tehonjakeluverkko (PDN): Optimoi teho-maatason suunnittelu
• Erotuskondensaattorit: Toteuta purkuverkot "10μF+0.1μF+0.01μF"-yhdistelmillä.
• Samanaikainen kytkentäkohina (SSN): Vähennä samanaikaisen kytkentätuloksen (SSO) vaikutusta asianmukaisella asettelulla.

Nopea PCB Stackup Design

1. Monikerroksinen hallituksen pinoamisrakenne

• Tyypillinen pinoaminen: Suositeltava 8-kerroksinen kokoonpano (top-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Gnd-Sig-bottom).
• Impedanssin säätö: Saavutetaan 50Ω:n single-ended- ja 100Ω:n differentiaaliimpedanssi pinoamissuunnittelun avulla.
• Dielektriset materiaalit: Valitse suurtaajuuslevymateriaalit, joilla on alhainen dielektrisyysvakio (Dk) ja alhainen häviökerroin (Df).

2. 20H-säännön edistynyt soveltaminen

• Tehotason sisennys: Tehotason on oltava 20H syvennyksellä maatasoon nähden.
• EMI-suojaus: Vähentää tehokkaasti reunasäteilyä 30-40dB
• Mobiililaitteet: Lisää suojarenkaat ja ompeleen läpiviennit

Suurnopeussignaalin reititystekniikat

1. Differentiaalinen signaalin reititys

• Pituuden sovittaminen: Ohjaus differentiaaliparin pituuden yhteensovittaminen ±5mil:n tarkkuudella.
• Vaiheen sovittaminen: Säilytä positiivisten/negatiivisten signaalien välinen vaihe-ero <5ps.
• Parin sisäinen viive: Valvotaan tiukasti parin sisäistä vinoumaa

2. Kellosignaalien erityiskäsittely

• Vartijan jäljet: Aseta maadoitussuojan jäljet kellojohtojen molemmille puolille.
• Lopetustekniikat: Käytä lähdön päättämistä tai lopetuksen päättämistä
• Jitterin hallinta: Vähennä ajoitusjitteriä matalan jitterin kellonjakeluverkkojen avulla.

Virran eheyden optimointi

1. Tehonjakeluverkon (PDN) suunnittelu

• Kohdeimpedanssi: Pidetään PDN-impedanssi tavoitearvoa alhaisempana kaikilla taajuuksilla.
• Tasokapasitanssi: Hyödynnä natiivikapasitanssia teho-maatasojen välillä.
• Taajuuksien kattavuus: Purkavan verkon on katettava DC-GHz-alue.

2. Samanaikaisen kytkentäkohinan (SSN) vaimentaminen

• Tehon segmentointi: Eri jännitealueiden asianmukainen segmentointi
• Paluupolku: Varmista, että nopeilla signaaleilla on matalaimpedanssiset paluureitit.
• Sijoituksen kautta: Riittävästi läpivientejä silmukan induktanssin pienentämiseksi.

EMC/EMI-suunnittelu

1. Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) suunnittelu

• Säteilyvalvonta: Vähennä säteilypäästöjä 20H-säännön ja suojapiirteiden avulla.
• Herkät piirit: Suojauksen toteuttaminen RF-herkille piireille
• Suodattimen suunnittelu: Asenna π- tai T-tyyppiset suodattimet I/O-liitäntöihin.

2. Maajärjestelmän optimointi

• Hybridimaadoitus: Toteutetaan hybridi maadoitusstrategia digitaalisia/analogisia piirejä varten.
• Segmentoinnin valvonta: Vältä vääränlaisesta maatason segmentoinnista johtuvat maahyppyjen syntyminen
• Monipistemaadoitus: Käytä monipistemaadoitusta korkeataajuuspiireissä.

Nopea PCB-suunnittelun verifiointi

1. Signaalin eheyden (SI) analyysi

• Aika-analyysi: Arvioi signaalin laatua silmäkaavioiden avulla
• Taajuusalueen analyysi: Analysoi siirto-ominaisuuksia S-parametrien avulla.
• Simuloinnin todentaminen: Suorita ennen ja jälkeen asettelun simuloinnit HyperLynxillä tai ADS:llä.

2. Virran eheyden (PI) todentaminen

• Impedanssin testaus: Suorita PDN-impedanssitestejä VRM:stä sirulle.
• Melun mittaus: Mittaa tehon aaltoilua ja kohinaa
• Lämpöanalyysi: Arvioi suurivirtaisten jälkien lämpötilan nousua.

Valmistusprosessi

1. Valmistussuunnittelu (DFM)

• Jäljen leveyden säätö: Otetaan huomioon syövytystekijän vaikutukset
• Kuvasuhde: Pidä levyn paksuuden ja reiän halkaisijan suhde <8:1.
• Pinnan viimeistely: Suositeltava ENIG- tai upotushopeapintakäsittelyt.

2. Materiaalin valinta

Soveltamalla näitä suurnopeuspiirilevyjen suunnitteluperiaatteita ja avainsanan optimointitekniikoita voidaan merkittävästi parantaa signaalin eheyttä, tehon eheyttä ja suurnopeuspiirilevyjen EMC-suorituskykyä. Suunnitteluprosessin aikana on kiinnitettävä erityistä huomiota avaintekijöihin, kuten impedanssin hallintaan, ristikkäishäiriöiden vähentämiseen ja tehon eheyden optimointiin, ja samalla on käytettävä simulointi- ja mittausmenetelmiä todentamiseen.

Tärkeimmät näkökohdat nopean piirilevyn reitityksen suunnittelussa

Impedanssin säätö ja siirtojohdon valinta

Impedanssin säätö on kriittinen nopea PCB suunnittelu. Valitse sopiva siirtojohtorakenne (esim. mikroliuska- tai raitajohto) signaalitaajuuden, levyn paksuuden ja dielektrisyysvakion perusteella. Käytä impedanssin laskentatyökaluja (kuten Polar SI9000 tai Altium Designerin sisäänrakennettu laskin) määrittääksesi tarkasti johtimen impedanssin ja varmistaaksesi, että se täyttää suunnitteluvaatimukset. Esimerkiksi differentiaaliparit vaativat tyypillisesti 90Ω tai 100Ω impedanssia, mikä edellyttää jäljen leveyden ja välyksen tiukkaa hallintaa. Vältä suorakulmaisten mutkien, läpivientien, haarojen tai äkillisten jäljen leveyden muutosten aiheuttamia impedanssin epäjatkuvuuskohtia, sillä ne voivat johtaa signaalin heijastumiseen ja heikentää eheyttä.

Reititysstrategiat ristikkäisviestinnän vähentämiseksi

Ristikkäisvärähtely on suuri uhka suurnopeussignaalien eheydelle. Sen vaikutuksen minimoimiseksi:

• Suurenna jälkien väliä: Noudata 3W-sääntöä (vierekkäisten johtojen väli ≥ 3 × johtojen leveys) sähkömagneettisen kytkennän vähentämiseksi.
• Käytä differentiaalista signalointia: Differentiaaliset parit (esim. USB, PCIe, LVDS) tukahduttavat tehokkaasti yhteismuotoista kohinaa, mutta vaativat tarkan impedanssin sovittamisen jäljen leveyden ja välyksen sekä tiukan pituuden sovittamisen.
• Lisää suojakerroksia: Reititä maatasot (GND) herkkien signaalien (esim. kellojohdot, RF-signaalit) ympärille ulkoisten häiriöiden eristämiseksi.
• Vältä pitkiä rinnakkaisia johtoja: Rinnakkaisreititys lisää kytkentää - valitse sen sijaan ortogonaaliset risteykset tai suurempi väli.

Heijastusten vähentäminen ja signaalin eheyden optimointi

Signaalin heijastukset voivat aiheuttaa yliaaltoja, soimista ja muita vakausongelmia. Optimointimenetelmiä ovat mm:

• Jäljen pituuden säätö: Suurnopeussignaalit (esim. DDR, HDMI) vaativat tiukkaa pituuden sovittamista, jotta vältetään etenemisviiveistä johtuva ajoitusvinouma.
• Impedanssin sovittaminen päättymisvastuksilla: Valitse sopiva päättämismenetelmä (sarja, rinnakkainen tai Theveninin päättäminen) siirtolinjan ominaisuuksien perusteella heijastusten poistamiseksi.
• Teho- ja maatasojen optimointi: Käytä matalaimpedanssisia tehokerroksia ja kiinteitä maatasoja sekä strategisesti sijoitettuja irrotuskondensaattoreita (esim. 0,1μF ja 10μF yhdistelmiä) tehokohinan vähentämiseksi.

Lopullinen suunnittelu ja todentaminen

Kun olet saanut reitityksen valmiiksi, suorita DRC-tarkistus (Design Rule Check) varmistaaksesi piirilevyn valmistusvaatimusten noudattamisen. Käytä SI/PI (Signal Integrity/Power Integrity) -simulointityökaluja (esim. HyperLynx tai ADS) kriittisten signaalipolkujen validoimiseksi ja mahdollisten ongelmien tunnistamiseksi varhaisessa vaiheessa.

Näiden toimenpiteiden toteuttamisella voidaan parantaa merkittävästi signaalin laatua suurnopeuspiirilevyissä ja varmistaa järjestelmän vakaus ja luotettavuus.

Aiheeseen liittyvät suositukset

Korkean taajuuden PCB-suunnittelu ja asetteluopas

Suuren tiheyden liitin PCB

PCB-asettelun suunnittelu