Alles über die Länge Ihrer PCB-Leiterbahnen: Wie lang ist zu lang?

Ab und zu erhalte ich eine Frage von einem Leser, die mein Interesse weckt und oft eine lebhafte Debatte, eine Forschungsreise oder eine Frage-und-Antwort-Runde auslöst. Eine kürzlich erhaltene Frage betrifft die Leiterbahnlänge, Signalstandards und Komponentenspezifikationen. Hier ist die paraphrasierte Frage:

Was ist die typische Längenbegrenzung für eine Hochgeschwindigkeits-Leiterbahn?

Diese Frage ist immer interessant, weil sie aus mehreren Blickwinkeln betrachtet werden kann. In diesem Fall arbeitete die Komponente mit PCIe bei hohen Geschwindigkeiten auf einem Standard-Laminat (Dk ~4 und Df ~0,02 am oberen Ende des Bandbreitenbereichs). Es sollte nicht allzu schwer sein zu erkennen, dass die Frage darauf abzielt, die Leiterbahnlänge vom Randstecker zum Empfänger zu erhöhen und ob die Komponente die erhöhte Entfernung tolerieren kann und trotzdem ein Signal im Kanal wiederherstellen kann.

Wie würden Sie vorgehen, um die maximale Leiterbahnlänge zu untersuchen, die Sie in diesem Kanal tolerieren können? Die Realität ist, dass es keinen einzigen maximalen Leiterbahnlängenwert für irgendeinen Signalstandard gibt, aus mehreren Gründen. Stattdessen müssen wir die Verluste im Kanal betrachten, während das Signal sich ausbreitet. Bei dieser speziellen Komponente war die Antwort ziemlich überraschend. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.

Die Antwort: Betrachten Sie den Gesamtverlust

Die maximale Leiterbahnlänge, die Sie zwischen zwei Komponenten platzieren können, hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören:

• Signalprotokoll: Signalstandards geben eine Mindestleistung vor, nach der eine Verbindung gestaltet werden sollte. Diese Anforderungen garantieren nicht, dass das Design funktioniert, aber sie bieten eine Grundlage für die Designziele.
• Spezifikationen der Komponenten: Einige Komponenten können die Anforderungen Ihres Signalstandards übertreffen, aber das garantiert immer noch nicht, dass der Kanal funktioniert.
• Leiterplattenlaminat und Verluste: Alle Verluste im Leiterplattenlaminat werden die Signalamplitude reduzieren und Verzerrungen erzeugen, daher müssen diese Verlustquellen bei der Bestimmung der Leiterbahnlänge berücksichtigt werden.
• Skew und Phasenverzerrung: Skew kann sich in einigen Fällen ansammeln, abhängig vom Routingpfad, aufgrund des Faserwebungseffekts. Dies ist meist problematisch im Bereich des Signals, der ~20 GHz und höhere Frequenzen belegt, was eine Phasenverzerrung im Signal erzeugt.

Verluste sammeln sich entlang einer Leiterbahn

Mit all dem im Hinterkopf, lassen Sie uns betrachten, wo sich Verluste entlang des Kanals ansammeln. Das Bild unten zeigt die gesamten Verluste in unserem Beispielkanal. Einige dieser Verluste wurden entlang der Länge der Leiterbahnen zusammengefasst. Unabhängig davon, wo die Verluste ihren Ursprung haben, addieren wir sie einfach alle in dB, und wir können dies zurück in einen Dezimaldämpfungswert umrechnen, wenn wir möchten.

Der Punkt hier ist folgender: Es ist mir eigentlich egal, woher die Verluste kommen, sie werden sich alle addieren, um die Leistung zu begrenzen, die den Empfänger erreicht. Da das Signal nur so viel Verlust verkraften kann, bevor es nicht mehr wiederherstellbar ist, wird der gesamte Verlust die Länge der PCB-Leiterbahn auf einen maximalen Wert begrenzen.

Angesammelter Einfügungsverlust

Der Einfügungsverlust (angegeben in dB) entlang einer einzelnen Leiterbahn ist längenabhängig und steht in Beziehung zur Länge und dem Realteil des Ausbreitungskonstanten:

Solange Sie die Ausbreitungskonstante und die Länge der Verbindung kennen, kennen Sie den Gesamtverlust; es ist einfach der Einfügungsverlust plus der Rückflussverlust an jeder Schnittstelle entlang der Verbindung. Wenn Sie möchten, können Sie diese Beziehung für den Einfügungsverlust umkehren und einen akzeptablen Verlust und eine maximale Leiterbahnlänge bestimmen, solange (Sie die Ausbreitungskonstante bestimmen können).

Was ist, wenn eine Länge angegeben ist?

Lassen Sie uns einen Moment zur ursprünglichen Frage zurückkehren. In diesem Austausch hat die Empfängerkomponente eine maximale PCB-Leiterbahnlänge in Bezug auf die Zeit und nicht in Bezug auf ein Verlustbudget oder eine wörtliche Leiterbahnlänge angegeben. Mit anderen Worten, sie gehen davon aus, dass Sie die Gruppen-/Phasengeschwindigkeit (oder Ausbreitungsverzögerung) für Signale, die auf der Verbindung reisen, kennen. Wenn Sie über Dispersion Bescheid wissen, dann wissen Sie, dass Sie PCB-Leiterbahnlängenanpassung vs. Frequenz durchführen müssen, weil die Geschwindigkeit des Signals mit der Frequenz variiert.

Ob Sie nun eine spezifische Länge oder eine Zeitangabe sehen, jeder dieser Werte gilt nur für ein spezifisches PCB-Laminat und eine bestimmte Leiterbahnengeometrie. Wenn Sie ein anderes PCB-Laminatmaterial oder eine andere Leiterbahnengeometrie verwenden, ist der Längenwert nicht mehr gültig, da die Verluste entlang dieser Leiterbahnlänge unterschiedlich sein werden. In diesem Fall müssen Sie die angegebene maximale PCB-Leiterbahnlänge in eine neue Leiterbahnlänge umrechnen, indem Sie den Ausbreitungskonstanten verwenden, der dem maximalen Verlust auf der Verbindung entspricht. Sie können das Verhältnis verwenden:

wo γ die Ausbreitungskonstante für das Signal ist und L einen Längenwert darstellt. Hier habe ich den Realwert von γ genommen, da dieser uns den Verlust entlang der Verbindung zeigt. Wenn Sie sich die erste Gleichung oben ansehen, sollte es leicht zu erkennen sein, dass die linke Seite einfach ein Verlustbudget ist. Diese Werte zusammen mit den entsprechenden Werten Ihrer Ausbreitungskonstante geben Ihnen die neue maximale PCB-Leiterbahnlänge.

Simulationen und Feldlöser können helfen

Es gibt einige Schritte, die auf der Designebene unternommen werden können, um die zulässige Leiterbahnlänge zu erhöhen und übermäßigen Verlust zu verhindern:

• Verwenden Sie Materialien mit geringeren Verlusten, wie ein PTFE-basiertes Laminat
• Wählen Sie einen Steckverbinder mit geringeren Verlusten
• Entfernen Sie überflüssige Vias und bohren Sie Via-Stummel zurück
• Versuchen Sie, die Geometrie der Leiterbahn so zu ändern, dass sie geringere Verluste aufweist

Wenn Ihnen eine Zeit- oder Längenbeschränkung für Ihre Verbindung vorgegeben ist, benötigen Sie nur die Ausbreitungskonstante Ihrer alten und neuen Verbindung, um die neue Länge zu bestimmen. Wenn Sie Altium Designer verwenden, können Sie den Layer Stack Manager nutzen, um die Ausbreitungsverzögerung für Ihre impedanzkontrollierten Netze zu berechnen, und Sie können dies nutzen, um ein Leiterbahnlängenlimit für die relevanten Netzklassen festzulegen.

Für fortgeschrittenere Berechnungen, die die Extraktion von S-Parametern beinhalten, können Altium Designer®-Benutzer die EDB Exporter-Erweiterung verwenden, um ihr Design in Ansys-Feldlöser zu importieren. Dies ist eine einfache Möglichkeit, ein Design mit einer leistungsstarken Feldlöseranwendung zu qualifizieren, bevor mit einem Prototyping-Lauf begonnen wird.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Altium 365-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare besuchen.