Simplificando, quando o tempo de subida/descida de um sinal digital é suficientemente curto para que as caraterísticas físicas dos traços da placa de circuito impresso - como a impedância, o atraso e os efeitos parasitas - comecem a exercer um impacto significativo na qualidade do sinal, a placa de circuito cai na categoria de placa de circuito impresso de alta velocidade.
A importância das placas de circuito impresso de alta velocidade
Na atual era digital de alta velocidade, desde smartphones a servidores de centros de dados, os estrangulamentos de desempenho dos dispositivos dependem cada vez mais da capacidade das suas PCB internas para transmitir e processar sinais de alta velocidade. É importante notar que a "alta velocidade" não é definida apenas por um valor de frequência específico, mas está intimamente relacionada com a taxa de alteração das extremidades do sinal e o comprimento do caminho de transmissão. Por conseguinte, o principal objetivo da conceção de PCB de alta velocidade passou da tradicional ênfase em assegurar a "conetividade eléctrica" para a tarefa mais crítica de manter a "integridade do sinal".
O que é o design de PCB de alta velocidade?
A conceção de PCB de alta velocidade é uma abordagem de engenharia sistemática centrada na análise e controlo de vários problemas que os sinais podem encontrar durante a transmissão. Em circuitos de baixa frequência, os condutores podem ser aproximados como "linhas curtas" ideais, onde os sinais são transmitidos quase instantaneamente. No entanto, em cenários de alta velocidade, os traços de PCB já não são apenas simples ligações eléctricas; devem ser modelados e analisados como linhas de transmissão. Se a impedância caraterística das linhas de transmissão não for correspondida, pode desencadear reflexões de sinal, fenómenos de "ringing" ou de "overshoot", conduzindo a erros de dados ou mesmo a falhas do sistema.
Por conseguinte, o foco da conceção de PCB de alta velocidade vai para além de meramente "ligar os pontos certos". Requer uma consideração abrangente de factores como os efeitos do campo eletromagnético, o controlo da impedância, a diafonia, a temporização e a integridade da potência durante a fase de conceção do front-end. Isto assegura a qualidade do sinal ao longo de todo o processo de transmissão, do transmissor ao recetor.
10 dicas práticas para o design de PCB de alta velocidade
Colaboração precoce com fabricantes
Entre em contacto com o seu fabricante de PCB de alta velocidade (como TOPFAST) durante a fase inicial de projeto do layout para discutir propostas de empilhamento e capacidades de controlo de impedância, garantindo que o projeto esteja alinhado com as especificações do processo.
Defina uma estratégia clara de acumulação
Dedique planos específicos na pilha para camadas de alimentação, terra e sinais críticos, a fim de proporcionar impedância estável e isolamento eficaz contra ruídos.
Projeto orientado por simulação
Realize simulações de integridade de sinal (SI) e integridade de energia (PI) antes e depois do layout para identificar e mitigar proativamente possíveis problemas.
Rigorosa adesão aos cálculos de impedância
Calcule com precisão e obtenha a largura e o espaçamento do traço necessários para a impedância alvo, com base estritamente nos parâmetros do material (por exemplo, espessura dielétrica, Dk) fornecidos pelo fabricante.
Garanta planos de referência ininterruptos
Os traços de sinais críticos de alta velocidade devem ter um plano de referência sólido (terra ou alimentação) por baixo deles; evite cruzar divisões no plano de referência para manter um caminho de retorno claro.
Otimizar o encaminhamento de pares diferenciais
Mantenha largura, espaçamento e paralelismo consistentes para pares diferenciais e controle rigorosamente a correspondência do comprimento intrapares para garantir imunidade a ruídos e qualidade do sinal.
Coloque os condensadores de desacoplamento perto dos pinos
Posicione os condensadores de desacoplamento o mais próximo possível dos pinos de alimentação dos ICs para minimizar a indutância do circuito e garantir uma filtragem eficaz do ruído de alta frequência.
Evite curvas com ângulos agudos
Use ângulos de 135 graus ou traços em arco para todas as curvas do traço do sinal, a fim de minimizar as descontinuidades de impedância e os reflexos do sinal.
Gerir os caminhos de retorno do sinal
Sempre considere e controle o caminho da corrente de retorno dos sinais de alta velocidade, garantindo que ele permaneça com baixa impedância, o que é fundamental para manter a integridade do sinal.
Priorize as vias de aterramento próximas às transições de camadas
Coloque as vias de aterramento adjacentes às vias de sinal quando os sinais de alta velocidade mudarem de camada para fornecer o caminho de retorno mais curto e contínuo de baixa impedância.
Por que os circuitos de alta velocidade exigem PCBs multicamadas?
- Caminho de retorno de sinal estável: Um plano de terra sólido fornece um caminho de retorno direto e contínuo para sinais de alta velocidade, evitando loops de corrente erráticos e minimizando a interferência eletromagnética na fonte.
- Isolamento acústico eficaz: Camadas dedicadas de alimentação e aterramento protegem as camadas sensíveis de sinal de alta velocidade entre elas, evitando interferências.
- Impedância característica controlada: O design preciso do empilhamento permite o cálculo e o controlo da impedância do traço, o que é crucial para minimizar os reflexos do sinal e é impossível de alcançar com placas de dupla face.
- Distribuição de energia superior: Um plano de alimentação sólido fornece um caminho de baixa impedância para fornecer energia limpa aos chips, melhorando a integridade da alimentação e evitando flutuações de tensão.
Práticas de roteamento de PCB de alta velocidade
1. Princípio da prioridade do layout
Durante a fase de layout, siga a estratégia «primeiro o crítico, depois o geral». Priorize a colocação de componentes de alta velocidade (como CPUs, memória, interfaces SerDes, etc.) e minimize as distâncias de interconexão entre eles para reduzir o atraso e a perda do caminho do sinal.
2. Controlo de impedância
O controlo da impedância é a pedra angular do design de PCB de alta velocidade. Seja para placas rígidas ou circuitos flexíveis de alta velocidade, cálculos de simulação precisos e controlo de processos devem ser aplicados para garantir uma impedância consistente ao longo de traços críticos, evitando assim reflexões de sinal causadas por incompatibilidade de impedância.
3. Correspondência de comprimento
Para barramentos paralelos (por exemplo, DDR) ou sinais diferenciais, o ajuste do comprimento dos traços relevantes é essencial para atender a requisitos rigorosos de temporização. Uma prática comum é usar o roteamento serpentino para compensar caminhos mais curtos, garantindo que os sinais cheguem de forma síncrona ao lado receptor.
4. Regra dos 3W
Para suprimir a interferência entre traços adjacentes, recomenda-se seguir a «Regra dos 3W»: o espaçamento entre os centros dos traços adjacentes deve ser pelo menos três vezes a largura de um único traço. Isso reduz eficazmente o acoplamento do campo elétrico e melhora a integridade do sinal.
5. Via Otimização
As vias introduzem capacitância e indutância parasíticas, levando a descontinuidades de impedância e degradação da qualidade do sinal. Em projetos de alta velocidade, o uso de vias deve ser minimizado. Quando necessário, otimize parâmetros como tamanho do orifício, diâmetro da almofada e estrutura anti-almofada para controlar os efeitos parasíticos.
Perguntas frequentes sobre design de PCB de alta velocidade
P: O que define um design de «alta velocidade»?
A: É determinado pelo tempo de subida do sinal em relação ao comprimento do traço. Se o comprimento do traço exceder 1/12 do comprimento de onda efetivo do sinal (por exemplo, >5 cm para um tempo de subida de 1 ns), os efeitos da linha de transmissão tornam-se críticos. As taxas de borda rápidas são mais importantes do que a frequência do relógio.
P: Uma placa de circuito impresso de 4 camadas é viável para projetos de alta velocidade?
A: Sim. Uma pilha padrão de 4 camadas fornece planos essenciais de terra/alimentação para controlo de impedância e caminhos de retorno. Adequado para a maioria dos sistemas incorporados (ARM/FPGA), mas interfaces multi-Gbps (PCIe/SATA) requerem mais camadas para um melhor isolamento.
P: Como os sinais diferenciais rejeitam o ruído?
A: Os pares diferenciais transmitem sinais invertidos. O ruído de modo comum acoplado a ambas as linhas é cancelado quando o recetor calcula a sua diferença. Os seus campos opostos também reduzem a radiação eletromagnética.
P: Por que envolver os fabricantes desde o início?
A: Os materiais de fabricação (constante dielétrica, peso do cobre) afetam diretamente a precisão da impedância. A colaboração antecipada garante que o seu projeto esteja alinhado com as capacidades do fabricante, evitando retrabalhos dispendiosos e atrasos.
O sucesso dos projetos de alta velocidade depende, em última análise, da fabricação de alta precisão. Como fabricante profissional de PCB de alta velocidade com 17 anos de experiência, a Topfast garante que a sua intenção de projeto seja traduzida com precisão na realidade física por meio do controle estável da constante dielétrica e da adesão rigorosa à largura/espaçamento da linha e ao alinhamento entre camadas. Também fornecemos relatórios profissionais de teste de impedância para validar de forma confiável o desempenho do produto.