Дизайн высокоскоростной печатной

Рекомендации по проектированию высокоскоростных печатных плат

При проектировании печатных плат обычно считается, что если частота цифровой логической схемы достигает или превышает 45 МГц ~50 МГц, и схема, работающая выше этой частоты, уже заняла определенный объем (например, 1/3) всей электронной системы, то она называется высокоскоростной схемой.

Высокоскоростной дизайн печатной платы разработан с учетом масштабных улучшений в сложности проектирования системы и интеграции, поскольку при работе системы на частоте 50 МГц будут возникать эффекты на линии передачи и проблемы с целостностью сигнала, а при работе системы на частоте до 120 МГц, если не используется высокая скорость. Знание схемотехники, в противном случае печатная плата, основанная на традиционном методе проектирования, не будет работать. Таким образом, технология высокоскоростного проектирования схем стала методом проектирования, который должны перенять разработчики электронных систем.

Высокоскоростное проектирование печатных плат в Circuits Hitech

Высокоскоростное проектирование печатных плат - это процесс согласования требований к схемотехнике, технологиям устройств, материалам и методологиям изготовления для создания печатной платы, которая может передавать сигналы между компонентами с сохранением целостности.

После многих лет исследований и практики компания Hitech Circuits вполне могут соответствовать требованиям высокоскоростного проектирования печатных плат. Мы можем предоставить вам высококачественное и быстрое проектирование печатных плат для высокоскоростных, высокоплотных, цифроаналоговых гибридов, а также проектирование печатных плат для новых процессов и технологий (таких как гибкие платы, HDI печатные платы, заглубленные глухие отверстия и т.д.). У нас есть группа высококачественных Инженеры-конструкторы печатных плат в Шэньчжэне. У нас есть богатый опыт в разработке высокоскоростных многослойных печатных плат операторского класса. Мы всесторонне рассматриваем требования к синхронизации, полосковую и микрополосковую линии, схему согласования сигналов, качество сигнала, топологию трассировки сигнала, развязку силового заземления, управление импедансом обратного тока высокоскоростного сигнала и управление наращиванием стека, анализ политики одноплатной ЭМС / EMI, глухие и заглубленные каналы и так далее, а также с точки зрения высокоскоростной компоновки печатных плат, используйте наш опыт для оптимизации вашей принципиальной схемы, чтобы повысить качество, присущее вашей плате, и сделать ее работу более стабильной.

Является ли ваша компоновка печатной платы высокоскоростной?

Все больше и больше печатных плат объединяют в себе несколько схем. Для обеспечения высокой скорости вашей печатной плате не обязательно работать на частоте гигагерц - и в дополнение к этому такие технологии, как IOT и контроллеры "умного дома", растут в геометрической прогрессии.

Даже использование стандартных компонентов, таких как DDR3, DDR4 или DDR5 Sdram, означает соблюдение рекомендаций по проектированию высокоскоростных печатных плат. Вам необходимо ограничить компоновку печатной платы, чтобы обеспечить целостность сигнала высшего класса - чтобы он работал должным образом, – но также и для того, чтобы ваш продукт был лучшим, каким он может быть.

eCADSTAR - не единственное решение, которое позволяет вам это сделать. Разница заключается в том, что все это встроено, а не придумано задним числом, и в его непревзойденной способности работать со сложными деталями, необходимыми для сверхкритичной компоновки.

Но прежде чем мы углубимся в детали, какие ключевые ограничения скорости вам нужны?

Высокоскоростное проектирование печатных плат - это очень сложный процесс проектирования. При проектировании необходимо учитывать множество факторов. Эти факторы иногда противоположны друг другу. Например, если высокоскоростное устройство расположено близко к макету, задержка может быть уменьшена, но могут возникнуть перекрестные помехи и значительные тепловые эффекты. Поэтому при проектировании мы взвешиваем различные факторы и принимаем всестороннее решение о компромиссе: не только удовлетворить требования к высокоскоростному проектированию печатных плат, но и снизить сложность конструкции. Наше внедрение высокоскоростных инструментов проектирования печатных плат обеспечивает управляемость процесса проектирования. Только управляемый, он надежен, он будет успешным.

Элементы, которые следует учитывать

Процесс маршрутизации платы с высокоскоростными сигналами требует от вас управления:

Компоненты завершения, которые могут потребоваться

Определение сигналов, которые нуждаются в применении к ним правил высокоскоростного проектирования

Механические размеры трасс - для маршрутизации с контролируемым импедансом

Свойства и размеры материалов платы

Количество и расположение слоев в стопке слоев

Обратный путь каждого высокоскоростного сигнала

Влияние и конфигурация переходных отверстий

Конфигурация и маршрутизация дифференциальных пар

Настройка и управление длиной маршрута

Анализ целостности сигнала до и после компоновки

На ранней стадии процесса проектирования важно определить сигналы, для которых может потребоваться согласование импеданса, чтобы можно было включить дополнительные оконечные компоненты до завершения процесса размещения компонентов. Поскольку выходные контакты, как правило, имеют низкое сопротивление, а входные контакты, как правило, имеют высокое сопротивление, возможно, потребуется добавить в конструкцию оконечные компоненты для достижения согласования импеданса.

Hitech Circuits включает в себя имитатор целостности сигнала, к которому можно получить доступ как на этапе создания проекта, так и на этапе компоновки платы, что позволяет выполнять анализ целостности сигнала как до, так и после компоновки (инструменты »Целостность сигнала"). Имитатор целостности сигнала моделирует поведение маршрутизируемой платы, используя рассчитанный характеристический импеданс трасс в сочетании с информацией макромодели буфера ввода/вывода в качестве входных данных для моделирования. Симулятор основан на симуляторе быстрого отражения и перекрестных помех, который производит очень точное моделирование с использованием проверенных в отрасли алгоритмов.

Поскольку как при захвате схемы, так и при проектировании платы используется интегрированная компонентная система, которая связывает схематические обозначения с соответствующими контурами печатной платы, имитационными моделями SPICE и макромоделями целостности сигнала, анализ целостности сигнала может быть выполнен на этапе захвата схемы до создания дизайна платы. Когда конструкция платы отсутствует, инструмент позволяет вам настроить физические характеристики конструкции, такие как желаемое сопротивление трассировки характеристики, из имитатора целостности сигнала. На этом этапе предварительной компоновки процесса проектирования имитатор целостности сигнала не может определить фактическую длину конкретных соединений, поэтому он использует определяемую пользователем среднюю длину соединения для расчетов линии передачи. Тщательно выбрав эту длину по умолчанию, чтобы она соответствовала размерам предполагаемой платы, вы можете получить довольно точное представление о вероятных показателях целостности сигнала в конструкции.

Сети с потенциальными проблемами отражения могут быть идентифицированы, и любые дополнительные оконечные компоненты могут быть добавлены к схеме, прежде чем переходить к компоновке платы. Значения этих компонентов затем могут быть дополнительно настроены после выполнения анализа целостности сигнала после компоновки.

Определение высокоскоростных сигналов

Высокоскоростное проектирование - это искусство управления потоком энергии из одной точки печатной платы в другую. Как дизайнер, вы должны уметь сосредоточить свое внимание и применить ограничения дизайна к сигналу, который проходит от этой точки на плате к той точке на плате. Однако этот сигнал, на котором вы фокусируетесь, не обязательно является сетью с одной печатной платой. Сигнал может быть одной ветвью A0 в проекте, который вы собираетесь маршрутизировать в топологии с Т-образной ветвью, при этом другая ветвь A0 является другим сигналом, на котором вам также нужно сосредоточить свое внимание и иметь возможность сравнить длины маршрутов этих двух сигналов. Или сигнал может включать в себя последовательный компонент завершения на своем пути (который редактор печатных плат рассматривает как один компонент и две сети печатных плат), и если этот сигнал находится в дифференциальной паре, его длину необходимо сравнить с длиной другого сигнала в этой паре.

Вы можете управлять этими требованиями, используя функцию, известную как сигналы, где xSignal - это, по сути, определенный пользователем путь передачи сигнала. Вы выбираете исходную панель и целевую панель (в рабочей области или на панели печатной платы), затем щелкаете правой кнопкой мыши по любой из них, чтобы определить этот путь передачи сигнала как xSignal. Помимо интерактивного определения xSignal по его начальной и конечной площадкам, вы также можете запустить мастер интеллектуальных xSignals, эвристика которого поможет вам быстро настроить большое количество xSignals между выбранными компонентами. Затем эти сигналы можно использовать для настройки правил проектирования на ваши высокоскоростные сигналы. Программное обеспечение понимает структуру этих сигналов; например, вычисляет общую длину нескольких сетей, подключенных через оконечный компонент, а также расстояние до этого оконечного компонента.

Панель печатной платы включает в себя режим xSignal, который используется для проверки сигналов и управления ими. Панель также обеспечивает обратную связь по длине сигнала, выделяя сигналы, которые близки к соответствию (желтый) или не соответствуют (красный) применимым конструктивным ограничениям. На изображении ниже длины сигналов дифференциальной пары CLK1 отличаются по длине больше, чем допускается применимым правилом расчета согласованной длины. На панели отображается длина сигнала, которая является точной длиной от точки до точки. Традиционные несоответствия длины, такие как дорожки внутри площадок и сложенные сегменты дорожек, устраняются, и для расчета длины сигнала используются точные расстояния через пролет.

Как спроектировать высокоскоростную печатную плату!

Это было не так давно, когда слова “высокая скорость” не существовало в словаре разработчиков печатных плат. Вспоминая, например, 90-е и 00-е годы, можно сказать, что скорости, которые они использовали, были намного медленнее. В 2005 году типичной скоростью передачи данных считалось 3 Гбит/с, но сегодня инженеры имеют дело с 10 Гбит/с или даже 25 Гбит/с.

Это было не так давно, когда слова “высокая скорость” не существовало в словаре разработчиков печатных плат, вспоминая, например, 90-е и 00-е годы, скорости, которые они использовали, были намного медленнее. В 2005 году типичной скоростью передачи данных считалось 3 Гбит/с, но сегодня инженеры имеют дело с 10 Гбит/с или даже 25 Гбит/с. В прошлом все внимание было сосредоточено на том, чтобы сложить кусочки головоломки воедино и выработать стратегию своего продвижения по физической схеме платы. Но как насчет высокоскоростного дизайна? Теперь есть множество невидимых факторов, о которых стоит беспокоиться, таких как электромагнитные помехи (EMI), перекрестные помехи, отражение сигнала, переплетение материала печатной платы, и этот список можно продолжать и продолжать. Здесь мы обсудим пару советов по дизайну, которые следует иметь в виду при проектировании высокоскоростной печатной платы.

Начните свой высокоскоростной процесс проектирования с составления плана

Без плана и стратегии для вашего высокоскоростного дизайн-проекта вы, скорее всего, столкнетесь с неудачами и неожиданными проблемами. Поэтому, прежде чем даже нанести символ или подключить сеть, вам нужен своего рода контрольный список того, чего вы можете ожидать и чего хотите в качестве конечного продукта.

Документируйте каждую деталь вашего набора плат для изготовления

Важно, чтобы вы потратили достаточно времени на тщательное определение и документирование требований к компоновке слоев. Это идеальный момент для того, чтобы встретиться с вашим производителем и определить, какие материалы или спецификации IPC вам следует использовать для вашей платы и каким конкретным правилам проектирования вы должны следовать. У нас много клиентов, которым мы помогаем в начале проекта, направляя их правильным путем, чтобы у них была лучшая отправная точка для печатной платы, которую можно изготовить, продумав при этом факторы стоимости и качества. IPC-4103 определяет материалы для высокоскоростных печатных плат.

Высокочастотные приложения. Ниже приведены некоторые примеры:

FR-4

Это отличный материал, когда вы работаете с тактовой частотой < 5 Гбит/с, и он классифицируется как низкоскоростной материал. FR-4 обладает хорошей способностью контролировать импеданс, а также известен своей низкой стоимостью в зависимости от его характеристик.

Nelco, SI или Megtron

В сфере высокоскоростного проектирования вы, скорее всего, будете работать с этими материалами. Каждый из них рассчитан на тактовую частоту 5-25 Гбит/с. Кроме того, цена и сроки выполнения намного лучше, если сравнить их с материалом Роджерс.

Роджерс

Если ваш первый высокоскоростной дизайн развивает скорость 56 Гбит / с, то вы, скорее всего, в конечном итоге будете использовать ламинат Роджерс. Это высокочастотный, высокотемпературный материал, известный хорошей стабильностью импеданса, но он также дорог в производстве и имеет длительные сроки изготовления.

Соответствуйте своему импедансу

Согласование импеданса означает, что при передаче энергии импеданс нагрузки должен быть равен характеристическому импедансу линии передачи. В это время в передаче нет отражения, что указывает на то, что вся энергия поглощается нагрузкой. Напротив, при передаче происходит потеря энергии. При проектировании высокоскоростных печатных плат согласование импеданса связано с качеством сигнала.

Когда нужно выполнить согласование импеданса?

Дело не только в том, чтобы смотреть на частоту, но и в том, чтобы обращать внимание на крутизну края сигнала, то есть на время нарастания/спада сигнала. Обычно считается, что если время нарастания/спада сигнала (от 10% до 90%) менее чем в 6 раз превышает задержку передачи по проводу, то это высокая скорость. Сигналы должны обращать внимание на проблему согласования импеданса. Задержка передачи обычно составляет 150 кадров в секунду на дюйм или pс/мм.

Характеристический импеданс

Во время распространения сигнала по линии передачи, если скорость распространения сигнала везде на линии передачи одинакова, а емкость на единицу длины одинакова, то в процессе распространения сигнал всегда имеет полностью постоянное мгновенное сопротивление. Поскольку импеданс остается постоянным на протяжении всей линии передачи, мы даем конкретное название для обозначения этой характеристики или характеристики конкретной линии передачи и называем это характеристическим сопротивлением линии передачи. Характеристический импеданс относится к мгновенному значению импеданса, когда сигнал виден вдоль линии передачи. Характеристический импеданс связан со слоем платы, на котором расположены проводники печатной платы, материалом (диэлектрической проницаемостью), используемым печатной платой, шириной следа и расстоянием между проводником и плоскостью и не имеет ничего общего с длиной следа. Характеристический импеданс может быть рассчитан с помощью таких программ, как speed stack и Si9000. При высокоскоростной компоновке печатных плат импеданс трассировки цифрового сигнала обычно рассчитан на 50 Ом, что является приблизительным значением. Как правило, базовый диапазон коаксиального кабеля составляет 50 Ом, частотный диапазон - 75 Ом, а витая пара (дифференциальная) - 100 Ом.

Конечно, есть много других вещей, о которых следует подумать, когда вы разрабатываете высокоскоростную печатную плату. Не стесняйтесь обращаться в Hitech Circuits по вашим техническим вопросам

в заключение

Хотя невозможно вывести универсальный набор правил, применимых к каждому высокоскоростному дизайну печатной платы, можно следовать передовым методам проектирования, которые помогут вам добиться успеха в вашем высокоскоростном дизайне. Существует ряд отраслевых экспертов, которые проводят практические и популярные учебные курсы по высокоскоростному проектированию. Воспользуйтесь ссылками ниже, чтобы узнать больше и изучить варианты специализированного обучения.