Проще говоря, когда время нарастания/спада цифрового сигнала достаточно короткое, чтобы физические характеристики дорожек печатной платы, такие как импеданс, задержка и паразитные эффекты, начали оказывать значительное влияние на качество сигнала, печатная плата попадает в категорию высокоскоростных печатных плат.
Важность высокоскоростных печатных плат
В современную эпоху высокоскоростных цифровых технологий, от смартфонов до серверов центров обработки данных, узкие места в производительности устройств все в большей степени зависят от способности их внутренних печатных плат передавать и обрабатывать высокоскоростные сигналы.Важно отметить, что «высокая скорость» определяется не только конкретным значением частоты, но и тесно связана со скоростью изменения фронтов сигнала и длиной пути передачи. Поэтому основная цель проектирования высокоскоростных печатных плат сместилась с традиционного акцента на обеспечение «электрической связности» к более важной задаче поддержания «целостности сигнала».
Что такое высокоскоростной дизайн печатных плат?
Высокоскоростное проектирование печатных плат — это системный инженерный подход, основанный на анализе и контроле различных проблем, с которыми могут сталкиваться сигналы во время передачи.В низкочастотных цепях проводники можно приблизительно рассматривать как идеальные «короткие линии», по которым сигналы передаются практически мгновенно. Однако в высокоскоростных сценариях трассы печатных плат больше не являются простыми электрическими соединениями; их необходимо моделировать и анализировать как линии передачи. Если характеристический импеданс линий передачи не соответствует, это может вызвать отражение сигнала, колебания или явления перерегулирования, что приведет к ошибкам в данных или даже сбоям в системе.
Таким образом, при проектировании высокоскоростных печатных плат необходимо учитывать не только «правильное соединение точек». На этапе начального проектирования необходимо комплексно учитывать такие факторы, как влияние электромагнитных полей, контроль импеданса, перекрестные помехи, синхронизация и целостность питания. Это обеспечивает качество сигнала на протяжении всего процесса передачи от передатчика к приемнику.
10 практических советов по проектированию высокоскоростных печатных плат
Раннее сотрудничество с производителями
Обратитесь к производителю высокоскоростных печатных плат (например, 3. Топфаст) на начальном этапе проектирования макета, чтобы обсудить предложения по слоевой структуре и возможности контроля импеданса, обеспечив соответствие проекта техническим требованиям.
Определите четкую стратегию накопления
Выделите отдельные плоскости в стеке для слоев питания, заземления и критических сигналов, чтобы обеспечить стабильное сопротивление и эффективную изоляцию от шумов.
Проектирование на основе моделирования
Проводите симуляции целостности сигнала (SI) и целостности питания (PI) как до, так и после компоновки, чтобы проактивно выявлять и устранять потенциальные проблемы.
Строгое соблюдение расчетов импеданса
Точно рассчитайте и обеспечьте ширину и расстояние между дорожками, необходимые для достижения целевого импеданса, строго основываясь на параметрах материалов (например, толщина диэлектрика, Dk), предоставленных производителем.
Обеспечение непрерывных опорных плоскостей
Высокоскоростные трассы критических сигналов должны иметь под собой прочную опорную плоскость (заземление или питание); избегайте пересечения разветвлений в опорной плоскости, чтобы сохранить четкий обратный путь.
Оптимизация трассировки дифференциальных пар
Сохраняйте постоянную ширину, расстояние и параллельность дифференциальных пар и строго контролируйте соответствие длины внутри пары, чтобы обеспечить помехоустойчивость и качество сигнала.
Размещайте развязывающие конденсаторы рядом с выводами
Размещайте развязывающие конденсаторы как можно ближе к выводам питания микросхем, чтобы минимизировать индуктивность контура и обеспечить эффективную фильтрацию высокочастотных помех.
Избегайте острых углов изгибов
Используйте углы 135 градусов или дуговые трассировки для всех изгибов сигнальных трасс, чтобы минимизировать разрывы импеданса и отражения сигнала.
Управление путями возврата сигнала
Всегда учитывайте и контролируйте путь обратного тока высокоскоростных сигналов, обеспечивая его низкое сопротивление, что имеет решающее значение для поддержания целостности сигнала.
Уделите приоритетное внимание наземным переходным отверстиям вблизи переходов между слоями
Размещайте заземляющие переходные отверстия рядом с сигнальными переходными отверстиями, когда высокоскоростные сигналы меняют слои, чтобы обеспечить самый короткий и непрерывный путь возврата с низким импедансом.
- Стабильный путь возврата сигнала: Прочная заземляющая плоскость обеспечивает прямой и непрерывный обратный путь для высокоскоростных сигналов, предотвращая нестабильные токовые петли и сводя к минимуму электромагнитные помехи у источника.
- Эффективная шумоизоляция: Специальные слои питания и заземления экранируют расположенные между ними чувствительные слои высокоскоростных сигналов, предотвращая перекрестные помехи.
- Контролируемое характеристическое сопротивление: Точная конструкция многослойной платы позволяет рассчитывать и контролировать импеданс дорожек, что имеет решающее значение для минимизации отражений сигнала и недостижимо при использовании двухсторонних плат.
- Превосходная распределение мощности: Прочная плоскость питания обеспечивает низкоимпедансный путь для подачи чистого питания на микросхемы, повышая целостность питания и предотвращая колебания напряжения.
Методы высокоскоростной трассировки печатных плат
1. Принцип приоритета макета
На этапе разработки макета придерживайтесь стратегии «сначала критические, потом общие». Уделяйте приоритетное внимание размещению высокоскоростных компонентов (таких как процессоры, память, интерфейсы SerDes и т. д.) и минимизируйте расстояния между ними, чтобы уменьшить задержку и потери сигнала.
2. Регулирование импеданса
Контроль импеданса является основой проектирования высокоскоростных печатных плат. Как для жестких плат, так и для высокоскоростных гибких схем необходимо применять точные расчеты моделирования и контроль процессов, чтобы обеспечить постоянный импеданс вдоль критических трасс, тем самым избегая отражения сигнала, вызванного несоответствием импеданса.
3. Соответствие длины
Для параллельных шин (например, DDR) или дифференциальных сигналов согласование длины соответствующих трасс имеет важное значение для соблюдения строгих требований к синхронизации. Обычно для компенсации более коротких путей используется змеевидная трассировка, которая обеспечивает синхронную доставку сигналов на приемную сторону.
4. Правило 3W
Для подавления перекрестных помех между соседними дорожками рекомендуется соблюдать «правило 3W»: расстояние между центрами соседних дорожек должно быть не менее чем в три раза больше ширины одной дорожки. Это эффективно снижает взаимодействие электрических полей и улучшает целостность сигнала.
5. Оптимизация Via
Переходные отверстия вводят паразитную емкость и индуктивность, что приводит к разрывам импеданса и ухудшению качества сигнала. В высокоскоростных конструкциях использование переходных отверстий должно быть сведено к минимуму. При необходимости оптимизируйте такие параметры, как размер отверстия, диаметр контактной площадки и конструкция антиконтактной площадки, чтобы контролировать паразитные эффекты.
Часто задаваемые вопросы о высокоскоростном проектировании печатных плат
Вопрос: Что определяет «высокоскоростную» конструкцию?
A: Это определяется временем нарастания сигнала по отношению к длине трассы. Если длина трассы превышает 1/12 эффективной длины волны сигнала (например, >5 см для времени нарастания 1 нс), эффекты линии передачи становятся критическими. Скорость нарастания фронта имеет большее значение, чем тактовая частота.
Вопрос: Подходит ли 4-слойная печатная плата для высокоскоростных конструкций?
A: Да. Стандартная 4-слойная конструкция обеспечивает необходимые плоскости заземления/питания для контроля импеданса и обратных путей. Подходит для большинства встроенных систем (ARM/FPGA), но интерфейсы с пропускной способностью в несколько Гбит/с (PCIe/SATA) требуют большего количества слоев для лучшей изоляции.
Вопрос: Как дифференциальные сигналы подавляют шумы?
A: Дифференциальные пары передают инвертированные сигналы. Общий шум, сопряженный с обеими линиями, гасится, когда приемник вычисляет их разность. Их противоположные поля также уменьшают электромагнитное излучение.
Вопрос: Зачем привлекать производителей на раннем этапе?
A: Материалы изготовления (диэлектрическая проницаемость, вес меди) напрямую влияют на точность импеданса. Своевременное сотрудничество гарантирует соответствие вашего проекта возможностям производителя, что позволяет избежать дорогостоящих переделок и задержек.
Успех высокоскоростных конструкций в конечном итоге зависит от высокоточного производства. Являясь профессиональным производителем высокоскоростных печатных плат с 17-летним опытом, Topfast гарантирует, что ваши конструкторские замыслы будут точно воплощены в реальность благодаря стабильному контролю диэлектрической проницаемости и строгому соблюдению ширины/расстояния между линиями и выравниванию слоев. Мы также предоставляем профессиональные отчеты по испытаниям импеданса для надежной проверки характеристик продукции.