De rol van PCB-routing met hoge snelheid
Een juiste routering waarborgt de signaalintegriteit, verbetert de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en verbetert de betrouwbaarheid van het systeem.
1. Signaalintegriteit garanderen
Een goed ontworpen routeringsstrategie kan signaalreflectie en overspraak minimaliseren, waardoor een stabiele overdracht van gegevens met hoge snelheid (zoals USB 3.0, HDMI, enz.) op de PCB wordt gegarandeerd.
2. Elektromagnetische compatibiliteit
Door een redelijk rastersysteem te gebruiken om routingkanalen te standaardiseren, kunnen conflicten tussen componenten worden verminderd; differentiële signalering, afschermingslagen en vermogensaardvlakken kunnen elektromagnetische interferentie (EMI) minimaliseren.
3. Betrouwbaarheid van het systeem
Door de routeringsdichtheid en het gebruik van bronnen te regelen, kunnen overbodige paden geminimaliseerd en kosten gereduceerd worden; blinde vias en ingegraven vias kunnen routering met hoge dichtheid optimaliseren. Gestandaardiseerde rasterlay-outs kunnen kortsluitrisico's voorkomen.
Grondbeginselen van PCB-ontwerp met hoge snelheid
1. Belangrijkste elementen van signaalintegriteit (SI)
- Effecten van transmissielijnen: Hoogfrequente signalen vereisen aandacht voor de theorie van transmissielijnen om de karakteristieke impedantie aan te passen.
- Reflectie-onderdrukking: Gebruik afsluitweerstanden om signaalreflectie te verminderen
- Overspraakregeling: Pas de 3W-regel toe om overspraak aan het nabije uiteinde (NEXT) en het verre uiteinde (FEXT) te minimaliseren.
2. Basisprincipes stroomintegriteit (PI)
- Stroomdistributienetwerk (PDN): Optimaliseer het ontwerp van het vermogens-aardvlak
- Ontkoppelingscondensatoren: Ontkoppelingsnetwerken implementeren met "10μF+0.1μF+0.01μF"-combinaties
- Gelijktijdige schakelruis (SSN): Verminder de impact van gelijktijdige schakeluitgangen (SSO) door een goede lay-out
1. Stapelstructuur van meerlagige printplaten
- Typische stapeling: Aanbevolen configuratie met 8 lagen (top-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-bodem)
- Impedantieregeling: Bereik 50Ω single-ended en 100Ω differentiële impedantie door stackup ontwerp
- Diëlektrische materialen: Kies hoogfrequent plaatmateriaal met een lage diëlektrische constante (Dk) en een lage dissipatiefactor (Df).
2. Geavanceerde toepassing van de 20H-regel
- Vermogensvlak inkeping: Het vermogensvlak moet 20H uitsteken ten opzichte van de massaplaat
- EMI-onderdrukking: Vermindert randstraling effectief met 30-40dB
- Mobiele apparaten: Beschermringen en steekvias toevoegen
Snelle signaalrouteringstechnieken
1. Differentiële signaalroutering
- Lengte: Controle differentiële paarlengte aanpassing binnen ±5mil
- Faseaanpassing: Behoud faseverschil tussen positieve/negatieve signalen <5ps
- Vertraging binnen het paar: Strikte controle van intra-pair skew
2. Speciale behandeling van kloksignalen
- Sporen bewaken: Plaats aardbeschermingssporen aan beide zijden van de kloklijnen
- Beëindigingstechnieken: Gebruik bronafsluiting of eindafsluiting
- Jitterregeling: Verminder timingjitter door klokdistributienetwerken met lage jitter
Stroomintegriteitsoptimalisatie
1. PDN-ontwerp (Power Distribution Network)
- Doelimpedantie: Houd de impedantie van het PDN onder de doelwaarde voor alle frequenties
- Vlakke capaciteit: Inheemse capaciteit tussen voedingsmassa's gebruiken
- Frequentiebereik: Het ontkoppelingsnetwerk moet het bereik van DC tot GHz bestrijken
2. Onderdrukking simultaan schakelgeluid (SSN)
- Vermogenssegmentatie: Verschillende spanningsdomeinen goed segmenteren
- Pad terug: Zorg ervoor dat hogesnelheidssignalen retourpaden met lage impedantie hebben
- Via plaatsing: Voldoende vermogensvias om lusinductantie te verminderen
EMC/EMI-ontwerp
1. Ontwerp elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
- Stralingscontrole: Verminder uitgestraalde emissies door de 20H-regel en bewakingssporen
- Gevoelige circuits: Afscherming implementeren voor RF-gevoelige circuits
- Filterontwerp: Installeer π-type of T-type filters op I/O-interfaces
2. Optimalisatie van het grondsysteem
- Hybride aarding: Een hybride aardingsstrategie implementeren voor digitale/analoge schakelingen
- Segmentatiecontrole: Voorkom grondstuit veroorzaakt door onjuiste segmentatie van het grondvlak
- Meerpuntsaarding: Gebruik meerpuntsaarding voor hoogfrequente circuits
PCB ontwerpverificatie met hoge snelheid
1. Signaalintegriteitsanalyse (SI)
- Tijddomeinanalyse: Signaalkwaliteit evalueren met oogdiagrammen
- Analyse van het frequentiedomein: Analyseren van transmissiekarakteristieken met behulp van S-parameters
- Simulatieverificatie: Pre-layout en post-layout simulaties uitvoeren met HyperLynx of ADS
2. Verificatie van vermogensintegriteit (PI)
- Impedantietesten: PDN impedantietests uitvoeren van VRM naar chip
- Geluidsmeting: Vermogensrimpel en -ruis meten
- Thermische analyse ~4.3-4.8): Temperatuurstijging van sporen met hoge stroomsterkte evalueren
1. Ontwerp voor productie (DFM)
- Spoorbreedtecontrole: Overweeg de effecten van de etsfactor
- Beeldverhouding: Houd de verhouding tussen plaatdikte en gatdiameter <8:1
- Afwerking oppervlak: Geef de voorkeur aan ENIG of dompelzilver oppervlakteafwerking
2. Materiaalkeuze
Door deze ontwerpprincipes voor hogesnelheids-PCB's en technieken voor sleutelwoordoptimalisatie toe te passen, kunnen de signaalintegriteit, stroomintegriteit en EMC-prestaties van hogesnelheids-PCB's aanzienlijk worden verbeterd. Tijdens het ontwerpproces moet speciale aandacht worden besteed aan sleutelfactoren zoals impedantiecontrole, overspraakreductie en optimalisatie van de stroomintegriteit, terwijl ook simulatie- en meetmethoden worden gebruikt voor verificatie.
Belangrijke overwegingen voor PCB-routing met hoge snelheid
Impedantieregeling en transmissielijnkeuze
Impedantieregeling is cruciaal in Snelle PCB ontwerp. Selecteer de juiste transmissielijnstructuur (bijvoorbeeld microstrip of striplijn) op basis van de signaalfrequentie, dikte van de printplaat en diëlektrische constante. Gebruik impedantieberekeningsprogramma's (zoals Polar SI9000 of de ingebouwde calculator van Altium Designer) om de impedantie van het spoor nauwkeurig te bepalen en ervoor te zorgen dat het voldoet aan de ontwerpvereisten. Differentiële paren hebben bijvoorbeeld meestal een impedantie van 90Ω of 100Ω nodig, wat een strikte controle van de spoorbreedte en -afstand vereist. Vermijd impedantieonderbrekingen veroorzaakt door haakse bochten, vias, aftakkingen of plotselinge veranderingen in de spoorbreedte, aangezien deze kunnen leiden tot signaalreflecties en verminderde integriteit.
Routingstrategieën om overspraak te verminderen
Overspraak is een grote bedreiging voor de signaalintegriteit van hoge snelheden. Om de impact te minimaliseren:
- Spoorafstand vergroten: Volg de 3W-regel (aangrenzende spoorafstand ≥ 3× spoorbreedte) om elektromagnetische koppeling te beperken.
- Differentiële signalering gebruiken: Differentiële paren (bijv. USB, PCIe, LVDS) onderdrukken effectief common-mode ruis, maar vereisen nauwkeurige impedantie-matching spoorbreedte en -afstand, evenals strikte lengte-matching.
- Afschermingslagen toevoegen: Leg massaplaten (GND) rond gevoelige signalen (bijvoorbeeld kloklijnen, RF-signalen) om externe interferentie te isoleren.
- Vermijd lange parallelle sporen: Parallelle routing verhoogt de koppeling - kies in plaats daarvan voor orthogonale kruisingen of een grotere afstand.
Reflecties beperken en signaalintegriteit optimaliseren
Signaalreflecties kunnen overshoot, ringing en andere stabiliteitsproblemen veroorzaken. Optimalisatiemethoden zijn onder andere:
- Trajectlengte regelen: Hogesnelheidssignalen (bijvoorbeeld DDR, HDMI) vereisen een strikte afstemming van de lengte om timingscheeflopen als gevolg van propagatievertragingen te voorkomen.
- Impedantieafstemming met afsluitweerstanden: Kies de juiste afsluitmethode (serie-, parallel- of Thevenin-afsluiting) op basis van de eigenschappen van de transmissielijn om reflecties te elimineren.
- Stroom- en grondvlakken optimaliseren: Gebruik vermogenslagen met lage impedantie en stevige aardvlakken, samen met strategisch geplaatste ontkoppelingscondensatoren (bijvoorbeeld combinaties van 0,1 μF en 10 μF) om vermogensruis te verminderen.
Definitief ontwerp en verificatie
Voer na voltooiing van de routing een Design Rule Check (DRC) uit om ervoor te zorgen dat de PCB voldoet aan de productievereisten. Gebruik SI/PI-simulatietools (Signal Integrity/Power Integrity) (bijvoorbeeld HyperLynx of ADS) om kritieke signaalpaden te valideren en potentiële problemen vroegtijdig te identificeren.
Door deze maatregelen te implementeren kan de signaalkwaliteit in snelle printplaten aanzienlijk worden verbeterd, waardoor de stabiliteit en betrouwbaarheid van het systeem worden gegarandeerd.
Verwante aanbevelingen
PCB-ontwerp en layoutgids voor hoge frequenties
PCB met hoge dichtheid
PCB Layout Ontwerp