Simpel gezegd: wanneer de stijg-/daaltijd van een digitaal signaal zo kort is dat de fysieke kenmerken van de PCB-sporen – zoals impedantie, vertraging en parasitaire effecten – een aanzienlijke invloed beginnen te hebben op de signaalkwaliteit, valt de printplaat onder de categorie high-speed PCB.
Het belang van snelle printplaten
In het huidige tijdperk van hoge snelheden en digitale technologieën, van smartphones tot servers in datacenters, worden prestatieknelpunten van apparaten steeds meer bepaald door het vermogen van hun interne printplaten om signalen met hoge snelheid te verzenden en te verwerken.Het is belangrijk op te merken dat ‘hoge snelheid’ niet alleen wordt bepaald door een specifieke frequentiewaarde, maar ook nauw verband houdt met de snelheid waarmee signaalflanken veranderen en de lengte van het transmissiepad. Daarom is de kern doelstelling van het ontwerpen van snelle printplaten verschoven van de traditionele focus op het waarborgen van ‘elektrische connectiviteit’ naar de meer cruciale taak van het handhaven van ‘signaalintegriteit’.
Wat is high-speed PCB-ontwerp?
Het ontwerpen van snelle printplaten is een systematische technische benadering die zich richt op het analyseren en beheersen van verschillende problemen waarmee signalen tijdens de transmissie te maken kunnen krijgen.In laagfrequente circuits kunnen geleiders worden benaderd als ideale ‘korte lijnen’, waar signalen vrijwel onmiddellijk worden verzonden. In hogesnelheidsscenario's zijn PCB-traces echter niet langer slechts eenvoudige elektrische verbindingen; ze moeten worden gemodelleerd en geanalyseerd als transmissielijnen. Als de karakteristieke impedantie van transmissielijnen niet overeenkomt, kan dit signaalreflecties, ruis of overshoot-verschijnselen veroorzaken, wat kan leiden tot gegevensfouten of zelfs systeemstoringen.
Daarom gaat het bij het ontwerpen van snelle printplaten om meer dan alleen ‘de juiste punten met elkaar verbinden’. Tijdens de front-endontwerpfase moet uitgebreid rekening worden gehouden met factoren als elektromagnetische veldeffecten, impedantiecontrole, overspraak, timing en stroomintegriteit. Dit garandeert de signaalkwaliteit tijdens het hele transmissieproces, van zender tot ontvanger.
10 praktische tips voor het ontwerpen van snelle printplaten
Vroegtijdige samenwerking met fabrikanten
Neem contact op met uw fabrikant van hogesnelheid-PCB's (zoals TOPFAST) tijdens de eerste fase van het lay-outontwerp om voorstellen voor stapeling en mogelijkheden voor impedantiecontrole te bespreken, zodat het ontwerp aansluit bij hun processpecificaties.
Definieer een duidelijke stapelstrategie
Wijs specifieke vlakken in de stapeling toe voor stroom-, aardings- en kritieke signaallagen om een stabiele impedantie en effectieve geluidsisolatie te bieden.
Simulatiegestuurd ontwerp
Voer zowel pre-layout als post-layout simulaties uit voor signaalintegriteit (SI) en stroomintegratie (PI) om potentiële problemen proactief te identificeren en te verminderen.
Strikte naleving van impedantieberekeningen
Bereken nauwkeurig de spoorbreedte en -afstand die nodig zijn voor de beoogde impedantie en realiseer deze, strikt op basis van de materiaalparameters (bijv. diëlektrische dikte, Dk) die door de fabrikant worden verstrekt.
Zorg voor ononderbroken referentievlakken
Kritische signaalpaden met hoge snelheid moeten een solide referentievlak (aarde of voeding) onder zich hebben; vermijd kruisingen in het referentievlak om een duidelijk retourpad te behouden.
Differentiële paarroutering optimaliseren
Zorg voor een consistente breedte, afstand en parallelliteit voor differentiële paren en controleer strikt de lengteafstemming binnen paren om ruisimmuniteit en signaalkwaliteit te garanderen.
Plaats ontkoppelingscondensatoren dicht bij pinnen
Plaats ontkoppelingscondensatoren zo dicht mogelijk bij de voedingspinnen van IC's om de lusinductie te minimaliseren en een effectieve filtering van hoogfrequente ruis te garanderen.
Vermijd scherpe bochten
Gebruik hoeken van 135 graden of boogvormige signaalbanen voor alle bochten in de signaalbanen om impedantie-ongelijkmatigheden en signaalreflecties tot een minimum te beperken.
Signaalretourpaden beheren
Houd altijd rekening met en controleer het retourstroompad van hogesnelheidssignalen, zodat dit een lage impedantie behoudt, wat cruciaal is voor het behoud van de signaalintegriteit.
Geef prioriteit aan grondvia's nabij laagovergangen
Plaats grondvia's naast signaalvia's wanneer hogesnelheidssignalen van laag wisselen, om zo een zo kort mogelijk, continu retourpad met lage impedantie te verkrijgen.
Waarom zijn er voor hogesnelheidscircuits nodig? meerlaagse printplaten?
- Stabiel signaalretourpad: Een solide grondvlak biedt een direct, continu retourpad voor hogesnelheidssignalen, waardoor onregelmatige stroomlussen worden voorkomen en EMI bij de bron tot een minimum wordt beperkt.
- Effectieve geluidsisolatie: Speciale voedings- en aardingslagen beschermen de gevoelige hogesnelheidssignaallagen die daartussen liggen, waardoor overspraak wordt voorkomen.
- Gecontroleerde karakteristieke impedantie: Het nauwkeurige stack-upontwerp maakt het mogelijk om de impedantie van de trace te berekenen en te regelen, wat cruciaal is voor het minimaliseren van signaalreflecties en onhaalbaar is met dubbelzijdige printplaten.
- Superieure stroomverdeling: Een solide voedingsvlak biedt een pad met lage impedantie om schone stroom aan chips te leveren, waardoor de stroomintegriteit wordt verbeterd en spanningsschommelingen worden voorkomen.
Praktijken voor het routeren van PCB's met hoge snelheid
1. Principe van lay-outprioriteit
Houd u tijdens de lay-outfase aan de strategie ‘kritisch eerst, algemeen daarna’. Geef prioriteit aan de plaatsing van snelle componenten (zoals CPU's, geheugen, SerDes-interfaces, enz.) en minimaliseer de onderlinge afstanden om signaalvertraging en -verlies te beperken.
2. Impedantiecontrole
Impedantiecontrole is de hoeksteen van het ontwerp van hogesnelheids-PCB's. Of het nu gaat om stijve printplaten of hogesnelheids-flexibele circuits, er moeten nauwkeurige simulatieberekeningen en procescontrole worden toegepast om een consistente impedantie langs kritieke sporen te garanderen, waardoor signaalreflecties als gevolg van impedantiemismatch worden voorkomen.
3. Lengteaanpassing
Voor parallelle bussen (bijv. DDR) of differentiële signalen is lengteafstemming van relevante sporen essentieel om aan strenge timingvereisten te voldoen. Een gangbare praktijk is het gebruik van serpentine-routing om kortere paden te compenseren, zodat signalen synchroon aankomen aan de ontvangende kant.
4. 3W-regel
Om overspraak tussen aangrenzende sporen te onderdrukken, wordt aanbevolen om de ‘3W-regel’ te volgen: de afstand tussen het midden van aangrenzende sporen moet ten minste drie keer de breedte van een enkel spoor bedragen. Dit vermindert effectief de koppeling van elektrische velden en verbetert de signaalintegriteit.
5. Via optimalisatie
Via's introduceren parasitaire capaciteit en inductie, wat leidt tot impedantie-discontinuïteiten en een verminderde signaalkwaliteit. In ontwerpen voor hoge snelheden moet het gebruik van via's tot een minimum worden beperkt. Optimaliseer indien nodig parameters zoals gatgrootte, paddiameter en anti-padstructuur om parasitaire effecten te beheersen.
Veelgestelde vragen over het ontwerpen van snelle printplaten
V: Wat kenmerkt een ‘high-speed’-ontwerp?
A: Dit wordt bepaald door de stijgtijd van het signaal ten opzichte van de lengte van het spoor. Als de lengte van het spoor groter is dan 1/12 van de effectieve golflengte van het signaal (bijvoorbeeld >5 cm voor een stijgtijd van 1 ns), worden transmissielijneffecten cruciaal. Snelle flankstijgsnelheden zijn belangrijker dan klokfrequentie.
V: Is een 4-laags PCB geschikt voor high-speed ontwerpen?
A: Ja. Een standaard 4-laags stackup biedt essentiële grond-/voedingsvlakken voor impedantiecontrole en retourpaden. Geschikt voor de meeste embedded systemen (ARM/FPGA), maar multi-Gbps-interfaces (PCIe/SATA) vereisen meer lagen voor een betere isolatie.
V: Hoe onderdrukken differentiële signalen ruis?
A: Differentiële paren verzenden geïnverteerde signalen. Common-mode ruis die aan beide lijnen is gekoppeld, wordt geannuleerd wanneer de ontvanger het verschil berekent. Hun tegengestelde velden verminderen ook elektromagnetische straling.
V: Waarom moet je fabrikanten er vroeg bij betrekken?
A: Fabricagematerialen (diëlektrische constante, koperen gewicht) hebben een directe invloed op de nauwkeurigheid van de impedantie. Door in een vroeg stadium samen te werken, zorgt u ervoor dat uw ontwerp aansluit bij de mogelijkheden van de fabrikant, waardoor kostbare herontwerpen en vertragingen worden voorkomen.
Het succes van hogesnelheidsontwerpen hangt uiteindelijk af van zeer nauwkeurige productie. Als professionele fabrikant van hogesnelheids-PCB's met 17 jaar ervaring zorgt Topfast ervoor dat uw ontwerpintentie nauwkeurig wordt vertaald naar de fysieke realiteit door middel van stabiele controle van de diëlektrische constante en strikte naleving van de lijnbreedte/afstand en uitlijning tussen de lagen. We bieden ook professionele impedantietestrapporten om de productprestaties op betrouwbare wijze te valideren.