Rollen för höghastighetsdesign av PCB-rutning
Korrekt routning säkerställer signalintegriteten, förbättrar den elektromagnetiska kompatibiliteten (EMC) och förbättrar systemets tillförlitlighet.
1. Säkerställande av signalintegritet
En väl utformad routningsstrategi kan minimera signalreflektion och överhörning, vilket säkerställer en stabil överföring av höghastighetsdata (t.ex. USB 3.0, HDMI etc.) på kretskortet.
2. Elektromagnetisk kompatibilitet
Genom att använda ett rimligt rutnätssystem för att standardisera routningskanaler kan konflikter om komponentavstånd minskas; differentiell signalering, avskärmningslager och jordplan för strömförsörjning kan minimera elektromagnetisk interferens (EMI).
3. Systemtillförlitlighet
Genom att kontrollera ledningsdensiteten och resursutnyttjandet kan redundanta vägar minimeras och kostnaderna sänkas; blinda vior och begravda vior kan optimera ledningsdragning med hög densitet. Standardiserade nätlayouter kan förhindra kortslutningsrisker.
Grunderna i PCB-design för höga hastigheter
1. Nyckelelement i signalintegritet (SI)
- Transmissionsledningseffekter: Högfrekventa signaler kräver beaktande av transmissionsledningsteori för att kontrollera karakteristisk impedansmatchning
- Undertryckande av reflektion: Använd avslutningsmotstånd för att minska signalreflektionen
- Kontroll av överhörning: Tillämpa 3W-regeln för att minimera överhörning i närområdet (NEXT) och överhörning i fjärrområdet (FEXT)
2. Grunderna för Power Integrity (PI)
- Kraftdistributionsnät (PDN): Optimera utformningen av kraft-jordplan
- Frikopplingskondensatorer: Implementera frikopplingsnätverk med "10μF+0,1μF+0,01μF"-kombinationer
- Brus vid samtidig omkoppling (SSN): Minska påverkan från samtidiga omkopplingsutgångar (SSO) genom korrekt layout
1. Struktur för uppstapling av flerskiktskort
- Typisk uppställning: Rekommenderad 8-lagers konfiguration (topp-Gnd-Sig-Pwr-Sig-Gnd-Sig-botten)
- Impedansreglering: Uppnå 50Ω single-ended och 100Ω differential impedans genom stackup-design
- Dielektriska material: Välj högfrekventa kortmaterial med låg dielektricitetskonstant (Dk) och låg dissipationsfaktor (Df)
2. Avancerad tillämpning av 20H-regeln
- Indragning av kraftplan: Effektplanet ska vara indraget 20H i förhållande till jordplanet
- EMI-dämpning: Reducerar effektivt kantstrålningen med 30-40 dB
- Mobila enheter: Lägg till skyddsringar och vior för sömnad
Tekniker för höghastighetssignaldirigering
1. Differentiell signalering Routing
- Matchande längd: Kontroll av differentiell parlängdmatchning inom ±5mil
- Fasmatchning: Bibehålla fasskillnaden mellan positiva/negativa signaler <5ps
- Fördröjning inom paret: Strikt kontroll av skevhet inom par
2. Särskild hantering av klocksignaler
- Skydda spår: Placera jordningsskydd på båda sidor av klocklinjerna
- Tekniker för uppsägning: Använd källterminering eller slutterminering
- Jitter-kontroll: Minska timingjitter genom distributionsnätverk med klockor med lågt jitter
Optimering av kraftintegritet
1. Utformning av kraftdistributionsnät (PDN)
- Målimpedans: Hålla PDN-impedansen under målvärdet för alla frekvenser
- Kapacitans i plan: Utnyttja den inbyggda kapacitansen mellan kraft- och jordplan
- Frekvens täckning: Frikopplingsnätverket ska täcka området DC till GHz
2. Undertryckande av brus vid samtidig växling (SSN)
- Segmentering av kraft: Segmentera olika spänningsdomäner på rätt sätt
- Returväg: Säkerställ att höghastighetssignaler har returvägar med låg impedans
- Via placering: Tillräckligt med strömgenomföringar för att minska slinginduktansen
EMC/EMI-konstruktion
1. Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) Design
- Kontroll av strålning: Minska strålningsutsläpp genom 20H-regeln och skydda spår
- Känsliga kretsar: Implementera skärmning för RF-känsliga kretsar
- Filterdesign: Installera filter av π-typ eller T-typ vid I/O-gränssnitt
2. Optimering av marksystem
- Hybridjording: Implementera en hybridjordningsstrategi för digitala/analoga kretsar
- Kontroll av segmentering: Undvik markstuds orsakad av felaktig segmentering av markplanet
- Multipunktsjordning: Använd flerpunktsjordning för högfrekventa kretsar
Verifiering av PCB-design med hög hastighet
1. Analys av signalintegritet (SI)
- Analys av tidsdomän: Utvärdera signalkvaliteten med hjälp av ögondiagram
- Analys av frekvensdomän: Analysera transmissionsegenskaper med hjälp av S-parametrar
- Verifiering av simulering: Utför simuleringar före och efter layouten med HyperLynx eller ADS
2. Verifiering av kraftintegritet (PI)
- Impedansprovning: Genomför PDN-impedanstester från VRM till chip
- Mätning av buller: Mät effektkrusning och brus
- Termisk analys: Utvärdera temperaturökningen för högströmsledningar
1. Design för tillverkning (DFM)
- Kontroll av spårbredd: Beakta effekterna av etsningsfaktorn
- Aspect ratio: Håll förhållandet mellan kartongtjocklek och håldiameter <8:1
- Ytfinish: Föredrar ENIG- eller doppningssilverytbehandlingar
2. Val av material
Genom att tillämpa dessa designprinciper för höghastighetskretskort och optimeringstekniker för nyckelord kan signalintegriteten, effektintegriteten och EMC-prestandan för höghastighetskretskort förbättras avsevärt. Under designprocessen bör särskild uppmärksamhet ägnas åt nyckelfaktorer som impedansreglering, överhörningsreduktion och optimering av effektintegritet, samtidigt som simulerings- och mätmetoder används för verifiering.
Viktiga överväganden för höghastighetsdesign av PCB-rutning
Impedansreglering och val av transmissionsledning
Impedansreglering är avgörande i höghastighets PCB design. Välj lämplig transmissionsledningsstruktur (t.ex. mikrostrip eller stripline) baserat på signalfrekvens, kretskortstjocklek och dielektricitetskonstant. Använd impedansberäkningsverktyg (t.ex. Polar SI9000 eller Altium Designers inbyggda kalkylator) för att exakt bestämma spårimpedansen och se till att den uppfyller designkraven. Till exempel kräver differentiella par vanligtvis 90Ω eller 100Ω impedans, vilket kräver strikt kontroll över spårets bredd och avstånd. Undvik impedansdiskontinuiteter som orsakas av rätvinkliga böjar, vior, förgreningar eller plötsliga förändringar av spårbredden, eftersom dessa kan leda till signalreflektioner och försämrad integritet.
Routing-strategier för att minska överhörning
Överhörning är ett stort hot mot signalintegriteten i höghastighetssystem. För att minimera dess inverkan:
- Öka avståndet mellan spåren: Följ 3W-regeln (intilliggande spåravstånd ≥ 3× spårbredd) för att minska den elektromagnetiska kopplingen.
- Använd differentiell signalering: Differentiella par (t.ex. USB, PCIe, LVDS) undertrycker effektivt common-mode-brus men kräver exakt impedansmatchning av spårbredd och -avstånd samt strikt längdmatchning.
- Lägg till skärmande lager: Dra jordplan (GND) runt känsliga signaler (t.ex. klocklinjer, RF-signaler) för att isolera externa störningar.
- Undvik långa parallella spår: Parallella sträckningar ökar kopplingen - välj istället ortogonala korsningar eller ökat avstånd.
Minska reflexer och optimera signalintegriteten
Signalreflektioner kan orsaka överslag, ringning och andra stabilitetsproblem. Optimeringsmetoder inkluderar:
- Kontroll av spårlängd: Höghastighetssignaler (t.ex. DDR, HDMI) kräver strikt längdmatchning för att förhindra tidsförskjutning på grund av spridningsfördröjningar.
- Impedansanpassning med avslutningsmotstånd: Välj lämplig termineringsmetod (serie-, parallell- eller Thevenin-terminering) baserat på transmissionsledningens egenskaper för att eliminera reflektioner.
- Optimering av kraft- och jordplan: Använd lågimpedanta effektlager och solida jordplan, tillsammans med strategiskt placerade avkopplingskondensatorer (t.ex. kombinationer av 0,1 μF och 10 μF), för att minska effektbruset.
Slutlig utformning och verifiering
När routningen är klar ska du utföra en DRC (Design Rule Check) för att säkerställa att tillverkningskraven för mönsterkortet uppfylls. Använd simuleringsverktyg för SI/PI (Signal Integrity/Power Integrity) (t.ex. HyperLynx eller ADS) för att validera kritiska signalvägar och identifiera potentiella problem tidigt.
Genom att genomföra dessa åtgärder kan signalkvaliteten i höghastighetskretskort förbättras avsevärt, vilket säkerställer systemets stabilitet och tillförlitlighet.
Relaterade rekommendationer
Guide för design och layout av kretskort för högfrekvens
Interkonnektor med hög densitet PCB
PCB-layoutdesign