Высокоскоростное проектирование макетов печатных плат

Роль высокоскоростного проектирования маршрутизации печатных плат

Правильная маршрутизация обеспечивает целостность сигналов, улучшает электромагнитную совместимость (ЭМС) и повышает надежность системы.

1. Обеспечение целостности сигнала

Хорошо продуманная стратегия маршрутизации позволяет минимизировать отражение сигнала и перекрестные наводки, обеспечивая стабильную передачу высокоскоростных данных (таких как USB 3.0, HDMI и т. д.) на печатной плате.

2. Электромагнитная совместимость

Принятие разумной системы сетки для стандартизации каналов маршрутизации позволяет уменьшить расстояние между компонентами; дифференциальная сигнализация, экранирующие слои и силовые заземляющие плоскости позволяют минимизировать электромагнитные помехи (EMI).

3. Надежность системы

Контроль плотности маршрутизации и использования ресурсов позволяет минимизировать избыточные пути и снизить затраты; глухие и заглубленные проходы позволяют оптимизировать маршрутизацию с высокой плотностью. Стандартизированная компоновка сетки может предотвратить риск короткого замыкания.

Основы проектирования высокоскоростных печатных плат

1. Ключевые элементы целостности сигнала (SI)

• Эффекты линии передачи: Высокочастотные сигналы требуют рассмотрения теории линий передачи для управления согласованием характеристического импеданса
• Подавление отражения: Используйте оконечные резисторы для уменьшения отражения сигнала
• Контроль перекрестных помех: Применяйте правило 3 Вт для минимизации перекрестных помех на ближнем конце (NEXT) и на дальнем конце (FEXT).

2. Основы целостности питания (PI)

• Сеть распределения электроэнергии (PDN): Оптимизация конструкции плоскости питания-земли
• Развязывающие конденсаторы: Реализуйте развязывающие сети с комбинациями "10 мкФ+0,1 мкФ+0,01 мкФ".
• Одновременный коммутационный шум (SSN): Снижение влияния одновременного коммутационного выхода (SSO) за счет правильной компоновки

Высокоскоростной Проектирование стека печатных плат

1. Структура укладки многослойной платы

• Типичный штабель: Рекомендуемая 8-слойная конфигурация (верх-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-bottom)
• Контроль импеданса: Достижение одностороннего импеданса 50 Ом и дифференциального импеданса 100 Ом благодаря конструкции стека.
• Диэлектрические материалы: Выбирайте материалы для высокочастотных плат с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и низким тангенсом угла диэлектрических потерь (Df)

2. Расширенное применение правила 20H

• Углубление в плоскости питания: Плоскость питания должна иметь отступ 20H относительно плоскости земли
• Подавление электромагнитных помех: Эффективно снижает краевое излучение на 30-40 дБ
• Мобильные устройства: Добавьте защитные кольца и сшивающие отверстия

Высокоскоростные технологии маршрутизации сигналов

1. Дифференциальная маршрутизация сигналов

• Соответствие длины: Контроль соответствия длины дифференциальной пары в пределах ±5мил
• Фазовое согласование: Поддерживайте разность фаз между положительным и отрицательным сигналами <5ps
• Внутрипарная задержка: Строгий контроль внутрипарного перекоса

2. Специальная обработка тактовых сигналов

• Охранные следы: Разместите защитные дорожки с обеих сторон от тактовых линий.
• Способы заделки: Используйте исходную или конечную заделку
• Контроль джиттера: Уменьшение джиттера синхронизации с помощью сетей распределения тактовых импульсов с низким уровнем джиттера

Оптимизация целостности питания

1. Проектирование распределительной сети (РСП)

• Целевой импеданс: Поддерживайте импеданс PDN ниже заданного значения на всех частотах
• Емкость плоскости: Используйте собственную емкость между плоскостями питания и земли
• Частотный охват: Развязывающая сеть должна охватывать диапазон от постоянного тока до ГГц.

2. Подавление одновременного коммутационного шума (SSN)

• Сегментация мощности: Правильно сегментировать различные области напряжения
• Путь возвращения: Убедитесь, что высокоскоростные сигналы имеют низкоомные пути возврата
• Через размещение: Достаточное количество силовых каналов для снижения индуктивности контура

Проектирование ЭМС/ЭМИ

1. Проектирование электромагнитной совместимости (ЭМС)

• Радиационный контроль: Снижение излучения благодаря правилу 20H и защитным трассам
• Чувствительные цепи: Реализуйте экранирование для радиочувствительных схем
• Конструкция фильтра: Установите фильтры π-типа или T-типа на интерфейсах ввода/вывода

2. Оптимизация наземной системы

• Гибридное заземление: Реализация гибридной стратегии заземления для цифровых/аналоговых схем
• Управление сегментацией: Избегайте дребезга земли, вызванного неправильной сегментацией плоскости земли
• Многоточечное заземление: Используйте многоточечное заземление для высокочастотных цепей

Высокоскоростная верификация дизайна печатных плат

1. Анализ целостности сигнала (SI)

• Анализ во временной области: Оцените качество сигнала с помощью глазных диаграмм
• Анализ в частотной области: Анализ характеристик передачи с помощью S-параметров
• Проверка моделирования: Выполняйте моделирование до и после раскладки с помощью HyperLynx или ADS

2. Проверка целостности питания (PI)

• Проверка импеданса: Проведите испытания импеданса PDN от VRM до микросхемы
• Измерение шума: Измерение пульсаций мощности и шума
• Термический анализ: Оценка повышения температуры сильноточных трасс

Производственный процесс

1. Проектирование для производства (DFM)

• Управление шириной трассировки: Учесть влияние фактора травления
• Соотношение сторон: Поддерживайте соотношение толщины доски и диаметра отверстия <8:1
• Отделка поверхности: Предпочитает поверхностное покрытие ENIG или иммерсионное серебро

2. Выбор материала

Применяя эти принципы проектирования высокоскоростных печатных плат и методы оптимизации ключевых слов, можно значительно улучшить целостность сигнала, целостность питания и характеристики ЭМС высокоскоростных печатных плат. В процессе проектирования особое внимание следует уделять таким ключевым факторам, как контроль импеданса, снижение перекрестных помех и оптимизация целостности питания, а также использовать методы моделирования и измерений для проверки.

Ключевые соображения при проектировании высокоскоростной маршрутизации печатных плат

Контроль импеданса и выбор линии передачи

Контроль импеданса имеет решающее значение в высокоскоростная печатная плата проектирование. Выберите подходящую структуру линии передачи (например, микрополосковую или полосковую) в зависимости от частоты сигнала, толщины платы и диэлектрической проницаемости. Используйте инструменты для расчета импеданса (например, Polar SI9000 или встроенный калькулятор Altium Designer), чтобы точно определить импеданс трассы и убедиться, что он соответствует проектным требованиям. Например, для дифференциальных пар обычно требуется импеданс 90 Ом или 100 Ом, что требует строгого контроля ширины трассы и расстояния между ними. Избегайте разрывов импеданса, вызванных изгибами под прямым углом, проходными отверстиями, разветвлениями или резкими изменениями ширины трассы, поскольку они могут привести к отражению сигнала и нарушению целостности.

Стратегии маршрутизации для уменьшения перекрестных помех

Перекрестные помехи - одна из основных угроз целостности высокоскоростных сигналов. Чтобы минимизировать их влияние:

• Увеличение расстояния между трассами: Для уменьшения электромагнитной связи следуйте правилу 3W (расстояние между соседними трассами ≥ 3× ширина трассы).
• Используйте дифференциальную сигнализацию: Дифференциальные пары (например, USB, PCIe, LVDS) эффективно подавляют сильные шумы, но требуют точного согласования импеданса по ширине и расстоянию между трассами, а также строгого согласования длины.
• Добавьте экранирующие слои: Проложите плоскости заземления (GND) вокруг чувствительных сигналов (например, тактовых линий, радиочастотных сигналов), чтобы изолировать внешние помехи.
• Избегайте длинных параллельных трасс: Параллельная прокладка увеличивает сцепление - вместо этого используйте ортогональные переходы или увеличенное расстояние между ними.

Устранение отражений и оптимизация целостности сигнала

Отражение сигнала может вызвать перегрузку, звон и другие проблемы со стабильностью. Методы оптимизации включают:

• Контроль длины трассы: Высокоскоростные сигналы (например, DDR, HDMI) требуют строгого согласования длины для предотвращения временного перекоса из-за задержек распространения.
• Согласование импеданса с помощью оконечных резисторов: Выберите подходящий метод заделки (последовательная, параллельная или заделка Тевенина) на основе характеристик линии передачи для устранения отражений.
• Оптимизация силовых и наземных плоскостей: Используйте низкоомные силовые слои и твердые заземляющие плоскости, а также стратегически расположенные развязывающие конденсаторы (например, комбинации 0,1 мкФ и 10 мкФ), чтобы снизить уровень силовых помех.

Окончательный дизайн и верификация

После завершения маршрутизации выполните проверку правил проектирования (DRC), чтобы убедиться в соответствии требованиям производства печатных плат. Используйте инструменты моделирования SI/PI (Signal Integrity/Power Integrity) (например, HyperLynx или ADS) для проверки критических путей прохождения сигналов и раннего выявления потенциальных проблем.

Применение этих мер позволяет значительно улучшить качество сигналов в высокоскоростных печатных платах, обеспечивая стабильность и надежность системы.

Связанные рекомендации

Руководство по проектированию и компоновке высокочастотных печатных плат

Печатная плата с разъемами высокой плотности

Дизайн макета печатной платы