Le rôle de la conception du routage des circuits imprimés à grande vitesse
Un routage correct garantit l'intégrité des signaux, améliore la compatibilité électromagnétique (CEM) et la fiabilité du système.
1. Garantir l'intégrité du signal
Une stratégie de routage bien conçue peut minimiser la réflexion et la diaphonie des signaux, garantissant une transmission stable des données à haut débit (telles que USB 3.0, HDMI, etc.) sur le circuit imprimé.
2. Compatibilité électromagnétique
L'adoption d'un système de grille raisonnable pour normaliser les canaux de routage permet de réduire les conflits d'espacement entre les composants ; la signalisation différentielle, les couches de blindage et les plans de masse de l'alimentation permettent de minimiser les interférences électromagnétiques (EMI).
3. Fiabilité du système
En contrôlant la densité du routage et l'utilisation des ressources, les chemins redondants peuvent être minimisés et les coûts réduits ; les vias aveugles et les vias enterrés peuvent optimiser le routage à haute densité. La normalisation de la disposition des grilles permet d'éviter les risques de court-circuit.
Principes de base de la conception de circuits imprimés à grande vitesse
1. Éléments clés de l'intégrité des signaux (IS)
- Effets des lignes de transmission: Les signaux à haute fréquence nécessitent la prise en compte de la théorie des lignes de transmission pour contrôler l'adaptation de l'impédance caractéristique.
- Suppression de la réflexion: Utiliser des résistances de terminaison pour réduire la réflexion du signal
- Contrôle de la diaphonie: Appliquer la règle des 3W pour minimiser la diaphonie proche (NEXT) et la diaphonie lointaine (FEXT).
2. Principes de base de l'intégrité de l'alimentation (PI)
- Réseau de distribution d'électricité (PDN): Optimiser la conception du plan de masse
- Condensateurs de découplage: Mettre en place des réseaux de découplage avec des combinaisons "10μF+0,1μF+0,01μF".
- Bruit de commutation simultané (SSN): Réduire l'impact des sorties de commutation simultanées (SSO) grâce à une disposition appropriée
1. Structure d'empilage des cartes multicouches
- Empilage typique: Configuration recommandée à 8 couches (top-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-bottom)
- Contrôle de l'impédance: Obtenir une impédance 50Ω pour les applications simples et 100Ω pour les applications différentielles grâce à la conception de l'empilage.
- Matériaux diélectriques: Choisir des matériaux pour cartes haute fréquence à faible constante diélectrique (Dk) et à faible facteur de dissipation (Df).
2. Application avancée de la règle 20H
- Indentation du plan de puissance: Le plan d'alimentation doit être en retrait de 20H par rapport au plan de masse.
- Suppression des interférences électromagnétiques: Réduit efficacement le rayonnement des bords de 30 à 40 dB
- Appareils mobiles: Ajouter des anneaux de protection et des vias de couture
Techniques de routage des signaux à grande vitesse
1. Acheminement différentiel des signaux
- Adaptation de la longueur: Contrôle de l'adaptation de la longueur des paires différentielles à ±5mil
- Correspondance des phases: Maintien de la différence de phase entre les signaux positifs/négatifs <5ps
- Délai intra-paire: Contrôle strict du skew intra-paire
2. Traitement spécial des signaux d'horloge
- Traces de garde: Placez des traces de protection de la masse de part et d'autre des lignes d'horloge.
- Techniques de résiliation: Utiliser la terminaison de la source ou la terminaison de la fin
- Contrôle de la gigue: Réduire la gigue temporelle grâce à des réseaux de distribution d'horloge à faible gigue
Optimisation de l'intégrité de l'alimentation
1. Conception du réseau de distribution d'électricité (PDN)
- Impédance cible: Maintenir l'impédance du PDN en dessous de la valeur cible sur toutes les fréquences
- Capacité du plan: Utiliser la capacité native entre les plans de puissance et de masse
- Couverture des fréquences: Le réseau de découplage doit couvrir la plage DC à GHz.
2. Suppression du bruit de commutation simultanée (SSN)
- Segmentation de la puissance: Segmenter correctement les différents domaines de tension
- Chemin de retour: Veiller à ce que les signaux à grande vitesse aient des voies de retour à faible impédance
- Via le placement: Nombre suffisant de vias de puissance pour réduire l'inductance de la boucle
Conception CEM/EMI
1. Conception de la compatibilité électromagnétique (CEM)
- Contrôle des rayonnements: Réduire les émissions rayonnées grâce à la règle 20H et aux traces de protection
- Circuits sensibles: Mise en place d'un blindage pour les circuits sensibles aux radiofréquences
- Conception du filtre: Installer des filtres de type π ou T aux interfaces E/S
2. Optimisation du système au sol
- Mise à la terre hybride: Mettre en œuvre une stratégie de mise à la terre hybride pour les circuits numériques/analogiques
- Contrôle de la segmentation: Éviter le rebond du sol causé par une segmentation incorrecte du plan de sol
- Mise à la terre multipoint: Utiliser une mise à la terre multipoint pour les circuits à haute fréquence
Vérification à grande vitesse de la conception des circuits imprimés
1. Analyse de l'intégrité du signal (SI)
- Analyse du domaine temporel: Évaluer la qualité du signal à l'aide de diagrammes oculaires
- Analyse dans le domaine des fréquences: Analyser les caractéristiques de transmission à l'aide de paramètres S
- Vérification de la simulation: Effectuer des simulations avant et après la mise en page avec HyperLynx ou ADS
2. Vérification de l'intégrité de l'alimentation (PI)
- Test d'impédance: Effectuer des tests d'impédance PDN entre le VRM et la puce.
- Mesure du bruit: Mesure de l'ondulation de puissance et du bruit
- Analyse thermique: Évaluer l'élévation de température des traces à courant élevé
1. Conception pour la fabrication (DFM)
- Contrôle de la largeur de la trace: Tenir compte des effets du facteur de gravure
- Rapport d'aspect: Maintenir le rapport entre l'épaisseur du panneau et le diamètre du trou <8:1
- Finition de la surface: Préférer les finitions de surface ENIG ou argent par immersion.
2. Sélection des matériaux
En appliquant ces principes de conception de circuits imprimés à grande vitesse et ces techniques d'optimisation des mots-clés, l'intégrité des signaux, l'intégrité de l'alimentation et les performances CEM des circuits imprimés à grande vitesse peuvent être améliorées de manière significative. Au cours du processus de conception, il convient d'accorder une attention particulière aux facteurs clés tels que le contrôle de l'impédance, la réduction de la diaphonie et l'optimisation de l'intégrité de l'alimentation, tout en utilisant des méthodes de simulation et de mesure à des fins de vérification.
Considérations clés pour la conception du routage des circuits imprimés à grande vitesse
Contrôle de l'impédance et sélection des lignes de transmission
Le contrôle de l'impédance est essentiel pour PCB à grande vitesse conception. Sélectionnez la structure de ligne de transmission appropriée (par exemple, microruban ou stripline) en fonction de la fréquence du signal, de l'épaisseur de la carte et de la constante diélectrique. Utilisez des outils de calcul d'impédance (tels que Polar SI9000 ou la calculatrice intégrée d'Altium Designer) pour déterminer avec précision l'impédance de la trace et vous assurer qu'elle répond aux exigences de la conception. Par exemple, les paires différentielles requièrent généralement une impédance de 90Ω ou 100Ω, ce qui nécessite un contrôle strict de la largeur et de l'espacement des pistes. Évitez les discontinuités d'impédance causées par des coudes à angle droit, des vias, des branches ou des changements soudains de largeur de trace, car elles peuvent entraîner des réflexions de signal et une dégradation de l'intégrité.
Stratégies d'acheminement pour réduire la diaphonie
La diaphonie est une menace majeure pour l'intégrité des signaux à grande vitesse. Pour minimiser son impact :
- Augmenter l'espacement des traces: Suivez la règle des 3W (espacement des traces adjacentes ≥ 3× la largeur de la trace) pour réduire le couplage électromagnétique.
- Utiliser la signalisation différentielle: Les paires différentielles (par exemple, USB, PCIe, LVDS) suppriment efficacement le bruit en mode commun, mais nécessitent une largeur et un espacement précis de la trace pour l'adaptation de l'impédance, ainsi qu'une adaptation stricte de la longueur.
- Ajouter des couches de blindage: Acheminez les plans de masse (GND) autour des signaux sensibles (par exemple, les lignes d'horloge, les signaux RF) afin d'isoler les interférences externes.
- Éviter les longues traces parallèles: Le routage parallèle augmente le couplage - optez plutôt pour des croisements orthogonaux ou un espacement plus important.
Atténuation des réflexions et optimisation de l'intégrité du signal
Les réflexions du signal peuvent provoquer des dépassements, des anneaux et d'autres problèmes de stabilité. Les méthodes d'optimisation comprennent :
- Contrôle de la longueur de la trace: Les signaux à grande vitesse (par exemple, DDR, HDMI) nécessitent une adaptation stricte de la longueur afin d'éviter les décalages temporels dus aux délais de propagation.
- Adaptation d'impédance avec des résistances de terminaison: Choisissez la méthode de terminaison appropriée (série, parallèle ou terminaison Thevenin) en fonction des caractéristiques de la ligne de transmission afin d'éliminer les réflexions.
- Optimisation des plans de puissance et de masse: Utilisez des couches de puissance à faible impédance et des plans de masse solides, ainsi que des condensateurs de découplage stratégiquement placés (par exemple, des combinaisons de 0,1μF et 10μF), afin de réduire le bruit de puissance.
Conception finale et vérification
Une fois le routage terminé, effectuez une vérification des règles de conception (DRC) pour garantir la conformité avec les exigences de fabrication des circuits imprimés. Utiliser des outils de simulation SI/PI (Signal Integrity/Power Integrity) (par exemple, HyperLynx ou ADS) pour valider les chemins de signaux critiques et identifier rapidement les problèmes potentiels.
La mise en œuvre de ces mesures permet d'améliorer considérablement la qualité du signal dans les circuits imprimés à grande vitesse, ce qui garantit la stabilité et la fiabilité du système.
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