Il ruolo della progettazione dell'instradamento dei PCB ad alta velocità
Un instradamento corretto garantisce l'integrità del segnale, migliora la compatibilità elettromagnetica (EMC) e l'affidabilità del sistema.
1. Garantire l'integrità del segnale
Una strategia di instradamento ben progettata può ridurre al minimo la riflessione e la diafonia del segnale, garantendo la trasmissione stabile di dati ad alta velocità (come USB 3.0, HDMI, ecc.) sul PCB.
2. Compatibilità elettromagnetica
Adottando un sistema di griglie ragionevole per standardizzare i canali di instradamento, è possibile ridurre i conflitti di distanza tra i componenti; la segnalazione differenziale, gli strati di schermatura e i piani di terra di alimentazione possono ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI).
3. Affidabilità del sistema
Controllando la densità di routing e l'utilizzo delle risorse, è possibile ridurre al minimo i percorsi ridondanti e i costi; i blind vias e i buried vias possono ottimizzare il routing ad alta densità. I layout standardizzati delle griglie possono prevenire i rischi di cortocircuito.
Fondamenti di progettazione di PCB ad alta velocità
1. Elementi chiave dell'integrità del segnale (SI)
- Effetti della linea di trasmissione: I segnali ad alta frequenza richiedono la considerazione della teoria delle linee di trasmissione per controllare la corrispondenza dell'impedenza caratteristica.
- Soppressione della riflessione: Utilizzare resistenze di terminazione per ridurre la riflessione del segnale
- Controllo della diafonia: Applicare la regola dei 3W per ridurre al minimo la diafonia in prossimità (NEXT) e la diafonia in lontananza (FEXT).
2. Nozioni di base sull'integrità dell'alimentazione (PI)
- Rete di distribuzione dell'energia (PDN): Ottimizzare il progetto del piano di massa per l'alimentazione
- Condensatori di disaccoppiamento: Implementare reti di disaccoppiamento con combinazioni "10μF+0,1μF+0,01μF".
- Rumore di commutazione simultaneo (SSN): Ridurre l'impatto dell'uscita di commutazione simultanea (SSO) grazie a un layout adeguato.
1. Struttura di impilamento del pannello multistrato
- Impilamento tipico: Configurazione a 8 strati consigliata (top-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-bottom)
- Controllo dell'impedenza: Raggiungere un'impedenza single-ended di 50 Ω e differenziale di 100 Ω grazie alla progettazione di stackup.
- Materiali dielettrici: Selezionare materiali per schede ad alta frequenza con bassa costante dielettrica (Dk) e basso fattore di dissipazione (Df).
2. Applicazione avanzata della regola delle 20H
- Rientro del piano di potenza: Il piano di alimentazione deve rientrare di 20H rispetto al piano di massa.
- Soppressione EMI: Riduce efficacemente la radiazione ai bordi di 30-40 dB
- Dispositivi mobili: Aggiunta di anelli di protezione e vias di cucitura
Tecniche di instradamento del segnale ad alta velocità
1. Instradamento della segnalazione differenziale
- Corrispondenza della lunghezza: Controllo della corrispondenza della lunghezza della coppia differenziale entro ±5mil
- Corrispondenza di fase: Mantenimento della differenza di fase tra segnali positivi e negativi <5ps
- Ritardo all'interno della coppia: Controllo rigoroso dello skew intra-coppia
2. Gestione speciale dei segnali di orologio
- Tracce di protezione: Posizionare le tracce di terra su entrambi i lati delle linee di clock.
- Tecniche di terminazione: Utilizzare la terminazione di origine o la terminazione finale
- Controllo del jitter: Riduzione del jitter di temporizzazione grazie a reti di distribuzione di clock a basso jitter.
Ottimizzazione dell'integrità di potenza
1. Progettazione della rete di distribuzione dell'energia (PDN)
- Impedenza target: Mantenere l'impedenza del PDN al di sotto del valore target su tutte le frequenze.
- Capacità del piano: Sfruttare la capacità nativa tra i piani di alimentazione e di terra
- Copertura di frequenza: La rete di disaccoppiamento deve coprire la gamma da CC a GHz.
2. Soppressione del rumore di commutazione simultaneo (SSN)
- Segmentazione della potenza: Segmentare correttamente i diversi domini di tensione
- Percorso di ritorno: Assicurare che i segnali ad alta velocità abbiano percorsi di ritorno a bassa impedenza.
- Tramite il collocamento: Vias di alimentazione sufficienti per ridurre l'induttanza del loop
Progettazione EMC/EMI
1. Progettazione della compatibilità elettromagnetica (EMC)
- Controllo delle radiazioni: Riduzione delle emissioni irradiate grazie alla regola 20H e alle tracce di protezione
- Circuiti sensibili: Implementare la schermatura per i circuiti sensibili alle RF
- Design del filtro: Installare filtri di tipo π o T sulle interfacce di I/O.
2. Ottimizzazione del sistema di terra
- Messa a terra ibrida: Implementare una strategia di messa a terra ibrida per circuiti digitali/analogici
- Controllo della segmentazione: Evitare il rimbalzo a terra causato da una segmentazione impropria del piano di terra
- Messa a terra a più punti: Utilizzare una messa a terra a più punti per i circuiti ad alta frequenza.
Verifica di progetti PCB ad alta velocità
1. Analisi dell'integrità del segnale (SI)
- Analisi nel dominio del tempo: Valutare la qualità del segnale attraverso i diagrammi a occhio
- Analisi nel dominio della frequenza: Analizzare le caratteristiche di trasmissione utilizzando i parametri S
- Verifica della simulazione: Esecuzione di simulazioni pre-layout e post-layout con HyperLynx o ADS
2. Verifica dell'integrità dell'alimentazione (PI)
- Test di impedenza: Eseguire test di impedenza PDN dal VRM al chip
- Misura del rumore: Misura del ripple di potenza e del rumore
- Analisi termica: Valutazione dell'aumento di temperatura delle tracce ad alta corrente
1. Progettazione per la produzione (DFM)
- Controllo della larghezza della traccia: Considerare gli effetti del fattore di incisione
- Rapporto d'aspetto: Mantenere il rapporto tra spessore della scheda e diametro del foro <8:1
- Finitura superficiale: Preferire le finiture superficiali ENIG o argento ad immersione
2. Selezione del materiale
Applicando questi principi di progettazione del layout dei PCB ad alta velocità e le tecniche di ottimizzazione delle parole chiave, è possibile migliorare in modo significativo l'integrità del segnale, l'integrità della potenza e le prestazioni EMC dei PCB ad alta velocità. Durante il processo di progettazione, occorre prestare particolare attenzione a fattori chiave come il controllo dell'impedenza, la riduzione della diafonia e l'ottimizzazione dell'integrità di potenza, utilizzando anche metodi di simulazione e di misurazione per la verifica.
Considerazioni chiave per la progettazione dell'instradamento dei PCB ad alta velocità
Controllo dell'impedenza e selezione della linea di trasmissione
Il controllo dell'impedenza è fondamentale per PCB ad alta velocità progettazione. Selezionare la struttura della linea di trasmissione appropriata (ad esempio, microstriscia o stripline) in base alla frequenza del segnale, allo spessore della scheda e alla costante dielettrica. Utilizzare strumenti di calcolo dell'impedenza (come Polar SI9000 o il calcolatore integrato di Altium Designer) per determinare con precisione l'impedenza della traccia e assicurarsi che sia conforme ai requisiti di progetto. Ad esempio, le coppie differenziali richiedono in genere un'impedenza di 90Ω o 100Ω, il che richiede un controllo rigoroso della larghezza e della spaziatura delle tracce. Evitate le discontinuità di impedenza causate da curve ad angolo retto, vias, diramazioni o improvvisi cambiamenti di larghezza della traccia, perché possono causare riflessioni del segnale e una degradazione dell'integrità.
Strategie di instradamento per ridurre la diafonia
La diafonia è una delle principali minacce all'integrità del segnale ad alta velocità. Per ridurre al minimo il suo impatto:
- Aumentare la spaziatura delle tracce: Seguire la regola delle 3W (distanza tra le tracce adiacenti ≥ 3× larghezza della traccia) per ridurre l'accoppiamento elettromagnetico.
- Utilizzare la segnalazione differenziale: Le coppie differenziali (ad esempio, USB, PCIe, LVDS) sopprimono efficacemente il rumore di modo comune, ma richiedono una precisa larghezza e spaziatura delle tracce di accoppiamento dell'impedenza e una rigorosa corrispondenza della lunghezza.
- Aggiungere strati di schermatura: Posizionare i piani di massa (GND) intorno ai segnali sensibili (ad esempio, linee di clock, segnali RF) per isolare le interferenze esterne.
- Evitare lunghe tracce parallele: L'instradamento parallelo aumenta l'accoppiamento: si può invece optare per incroci ortogonali o per una maggiore spaziatura.
Attenuazione delle riflessioni e ottimizzazione dell'integrità del segnale
Le riflessioni del segnale possono causare overshoot, ringing e altri problemi di stabilità. I metodi di ottimizzazione includono:
- Controllo della lunghezza della traccia: I segnali ad alta velocità (ad esempio, DDR, HDMI) richiedono una rigorosa corrispondenza delle lunghezze per evitare lo skew temporale dovuto ai ritardi di propagazione.
- Corrispondenza di impedenza con resistenze di terminazione: Scegliere il metodo di terminazione appropriato (terminazione in serie, parallelo o Thevenin) in base alle caratteristiche della linea di trasmissione per eliminare le riflessioni.
- Ottimizzazione dei piani di potenza e di terra: Utilizzare strati di potenza a bassa impedenza e piani di massa solidi, insieme a condensatori di disaccoppiamento posizionati strategicamente (ad esempio, combinazioni da 0,1μF e 10μF), per ridurre il rumore di potenza.
Progettazione e verifica finale
Dopo aver completato l'instradamento, eseguite un controllo delle regole di progettazione (DRC) per garantire la conformità ai requisiti di produzione dei PCB. Utilizzate strumenti di simulazione SI/PI (Signal Integrity/Power Integrity) (ad esempio, HyperLynx o ADS) per convalidare i percorsi dei segnali critici e identificare tempestivamente i potenziali problemi.
Grazie all'implementazione di queste misure, la qualità del segnale nei circuiti stampati ad alta velocità può essere migliorata in modo significativo, garantendo la stabilità e l'affidabilità del sistema.
Raccomandazioni correlate
Guida alla progettazione e al layout dei PCB ad alta frequenza
PCB di interconnessione ad alta densità
Progettazione del layout della PCB