Hochgeschwindigkeits-PCB-Design: Wie schnell ist eigentlich schnell?

Wie in mehreren vorherigen Blogs erwähnt, ist heutzutage der Begriff „Hochgeschwindigkeits-PCB“ in unserer Branche nahezu allgegenwärtig. Und wie zitiert, sagen wir immer, dass unabhängig vom Endprodukt oder der Implementierung jede PCB aufgrund der in ihr integrierten IC-Technologie als Hochgeschwindigkeit gilt. Vor einigen Jahren begannen wir zu sagen, dass das Wichtige die Flankensteilheiten der Komponenten waren, oder genauer gesagt, die Verbindungen zwischen den Kanten der Komponenten und den Platinen. So kamen wir tatsächlich auf den Namen unseres Unternehmens, Speeding Edge. Es ist eine Verschmelzung der Begriffe „Bleeding Edge“ und „High-Speed-Edge-Rates“, wie sie durch die Komponentenverbindungen auf PCBs gezeigt werden.

Es lohnt sich, zu überdenken, was die Evolution des Begriffs „Hochgeschwindigkeit“ bedeutet und wie er sich im Laufe der Jahre verändert hat. Dieser Artikel wird die Geschichte der Hochgeschwindigkeits-PCBs diskutieren, was wir wirklich meinen, wenn wir sagen, dass ein PCB-Gerät hochgeschwindig ist, und einige der Faustregeln, die unangemessen auf den Hochgeschwindigkeits-PCB-Designprozess angewendet werden. Wertvolle Ressourcen bezüglich der Informationen zu Hochgeschwindigkeits-Designprinzipien werden ebenfalls besprochen.

Die Geburt und Evolution von Hochgeschwindigkeits-PCBs

Hochgeschwindigkeits-PCBs gibt es tatsächlich schon seit langer Zeit, zurückgehend auf die Großrechner, die von Unternehmen wie IBM und Cray entworfen und gebaut wurden. Aber das war eine ziemlich isolierte Nische im Vergleich zum Rest der PCB-Industrie. Für den Rest der Welt wurde Hochgeschwindigkeit in den frühen 80ern zu einem Thema, als TTL schnell genug wurde, dass die Leiterbahnen lang wurden. Und so definieren wir Hochgeschwindigkeit in Bezug auf die Signalintegrität; ein PCB ist hochgeschwindig, wenn die Signalwege im Verhältnis zu den Anstiegszeiten lang sind, und ein Weg wird lang, wenn das Signal vom offenen Ende reflektieren und Probleme verursachen kann.

In Bezug auf präzise Mathematik, wenn die Anstiegszeit eine Nanosekunde beträgt, kann jeder Weg, der 3 Zoll oder länger ist, aufgrund von Reflexionen versagen. Hinweis: 3 Zoll = 7,5 cm und 6 Zoll = 15 cm. Man konvertiert Anstiegszeit in Länge, indem man die Geschwindigkeit des Weges herausfindet. Bei PCBs entspricht dies ungefähr 6 Zoll pro Nanosekunde. Das ist der Ausgangspunkt. Und wie oft das vorkommt oder was die Taktrate ist, hat keinen Einfluss auf die Bestimmung.

Wie Lee Ritchey, Präsident und Gründer von Speeding Edge, anmerkt: „Ich habe gesehen, wie Entwürfe an einer ‚Power-on‘-Reset-Leitung scheiterten. Das passiert, wenn man den Strom einschaltet. Die Leute würden dies als nicht kritisch beurteilen, weil es nicht oft passierte. Die Welt hat die Angewohnheit, schnell auf Basis der Taktfrequenz zu urteilen, und genau da geraten sie in Schwierigkeiten.“

Als Beispiel haben wir vor einigen Jahren ein Pulsoximeter untersucht, das ausgefallen war. Das Unternehmen, das das Produkt entworfen hatte, stellte fest, dass das Produkt „langsam“ war, weil es einen 1MHz Takt hatte. Aber es funktionierte nicht, weil der Speicherbereich des Entwurfs eine Anstiegszeit von 350 Pikosekunden hatte.

Wo stehen wir also jetzt? Die letzten Daten, die wir von Micron Technology für ihre Speicherkomponenten angesehen haben, besagten, dass die langsame Kante 100 Pikosekunden und die nominale Kante 50 Pikosekunden betrug. Die schnelle Kante wurde nicht spezifiziert. Wenn wir mit einer Nanosekunde beginnen, ist die langsame Kante 1/10 davon, was bedeutet, dass für die langsame Kante ein Pfad von 3/10 Zoll Länge aufgrund von Reflexionen Ausfälle zeigen kann. In diesem Szenario gibt es kein Produkt, das nicht schnell ist, unabhängig von der Taktfrequenz.

Produktdesigner geraten heute noch in Schwierigkeiten, wenn sie davon ausgehen, dass ihre endgültigen Produktimplementierungen nicht "schnell" sind und das standardmäßig bedeutet, dass das Produkt nicht hochgeschwindig ist. Und es gibt fünf Bereiche, in denen Menschen dazu neigen, Fehler zu machen. Dazu gehören:

• Die Nichtbeachtung von Signalintegritätsregeln. Dies umfasst die Nichtkontrolle der Impedanz, die Nichtverwendung geeigneter Abschlüsse und die Nutzung von Anwendungshinweisen als Designleitfäden. Viele Ausreden für gescheiterte Designs beginnen mit „Ich habe den Anwendungshinweis befolgt, das Produkt funktioniert nicht.“ (Viele Anwendungshinweise enthalten keine gültigen Ratschläge zur Signalintegrität.)

• Viele Technikproduktideen stammen von Personen, die die technischen Regeln nicht verstehen. In den letzten 30 Jahren gab es viele Produktideen, die von Informatikingenieuren stammen, die keine Ausbildung in Signalintegrität haben.

• Das Zusammenstellen einer Reihe von Faustregeln und deren Anwendung auf den Designprozess, ohne zu verstehen, wie die Dinge wirklich funktionieren.

• Und wie in mehreren vorherigen Artikeln erwähnt, besteht die größte und kritischste Herausforderung bei Hochgeschwindigkeitsdesigns heute darin, ein ordnungsgemäß funktionierendes PDS zu entwerfen.

Die schlechten Regeln

Bei Überlegungen zum Hochgeschwindigkeitsdesign entstehen einige der größten Probleme durch die Verwendung von Faustregeln, die keine Grundlage in guten Ingenieurpraktiken haben. Die drei häufigsten, die mit dem Hochgeschwindigkeits-PCB-Design verbunden sind, sind:

• Die 20H-Regel

• Die 3W-Regel

• Die Regel der Stichvias

Die 20H-Regel

Die 20H-Regel ist eine von etwa einem Dutzend erfundenen Regeln, die ihren Ursprung in den frühen 90er Jahren haben. Diese Regel behauptet, dass, wenn man Vdd von der Masseebene um das Maß zurücksetzt, das 20-mal der Trennung oder „H“ (was für die Höhe zwischen den beiden Ebenen steht) entspricht, würde man EMI reduzieren. Diese Regel wurde an zwei verschiedenen Universitäten von Studenten auf die Probe gestellt, die Testplatinen bauten, um die Gültigkeit der Regel zu überprüfen. Eine Testplatine wurde mit Vdd und der Masseebene bündig gebaut, während die andere unter Verwendung der 20H-Regel gebaut wurde. Das Ebenenpaar wurde mit einem HF-Generator angeregt und mit einer Nahfeldsonde überprüft, um festzustellen, ob EMI von der Kante entweichen konnte. Das Erste, was gelernt wurde, war, dass die Größe der Strahlung, die entweichen würde, so klein war, dass sie niemals ein EMI-Problem verursachen würde. Weiterhin war die geringe Strahlung, die entwich, schlimmer, wenn die 20H-Regel angewendet wurde, im Vergleich dazu, dass Vdd und die Masseebene bündig waren. Die Berichte über diese Tests sind die Referenzen 2 und 3 am Ende dieses Artikels.

Die 3W-Regel

Diese Regel, die auf einer weiteren willkürlichen Entscheidung basiert, besagt, dass um das Übersprechen zwischen parallelen Leiterbahnen, die auf derselben Schicht verlegt sind, zu kontrollieren, ein minimaler Abstand zwischen den Mittelpunkten der Leiterbahnen von 3-W eingehalten werden sollte. Dabei ist zu beachten, dass das Übersprechen keine Funktion der Leiterbahnbreite ist. Stattdessen handelt es sich um die unerwünschte Interaktion zwischen Signalleitungen oder -bahnen, die parallel verlaufen (auch als Kopplung bezeichnet), und es ist eine Funktion von zwei Dingen:

• Wie weit sind die beiden Kanten voneinander entfernt?

• Wie hoch sind die Leiterbahnen über der nächstgelegenen Ebene?

Der einzige Weg, diese beiden Faktoren zu bestimmen, ist die Verwendung eines Simulators. Dies ist eine sehr direkte Analyse, die etwa zwei Minuten dauert. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Sie den Analyseprozess nicht beginnen können, bis Sie wissen, wie viel die betroffene Leitung in Bezug auf gekoppeltes Rauschen tolerieren kann.

Stitching Vias

Wie in meinem Blog über Guard Traces (Guard Traces: Hit or Myth?) erwähnt, wird behauptet, dass Stitching Vias das Übersprechen kontrollieren und eine Barriere für das elektromagnetische Feld darstellen. Stitching Vias werden implementiert, indem man eine Schutzspur zwischen zwei anderen Spuren legt und dann periodisch eine Via von der Spur zur darunterliegenden Masseebene setzt. Die Wahrheit ist, dass, wenn die Verwendung von Stitching Vias erforderlich wäre, damit ein Produkt funktioniert, keines der heutigen Internetprodukte – Server, Brücken und Router – hergestellt werden könnte. Mechanisch gibt es einfach nicht genug Platz, um die Tausenden von Spuren, die in diesen Produkten sind, zu trennen.

Und wie Lee Ritchey sagt: „Ich habe festgestellt, dass jede Regel, die gültig ist, einen einfachen Beweis hat. Wenn die Person, die die Regel zitiert, den Beweis nicht liefern kann, sollten Sie sie nicht verwenden.“

Informationen, die irgendwie korrekt sind

Eine der Herausforderungen, mit denen wir in der Branche konfrontiert sind, ist die Fülle an schlechten Informationen, die in verschiedenen öffentlichen Bereichen zirkulieren (Fachpublikationen, das Internet, Bücher von „sogenannten“ Experten). Die eigentliche Herausforderung besteht darin, dass innerhalb dieser Informationsressourcen manchmal viele Informationen korrekt sind, aber mit Informationen gepaart werden, die es nicht sind. Die Schwierigkeit liegt darin, zwischen den Informationen, denen man vertrauen kann, und denen, denen man nicht vertrauen kann, zu unterscheiden.

Es gibt zwei wirklich gute Informationsforen, die verfügbar sind und gültige Designregeln enthalten: Die IEEE-Forum-Datenbank und der SI-LIST-Reflektor. Die SI-List wurde 1994 mit 30 Mitgliedern als Gründungs-E-Mail-Liste gestartet. Dadurch können Ingenieure Fragen stellen, Fragen beantworten, an Debatten teilnehmen oder dem „Geplauder“ zuhören.

Um sich für die SI-List anzumelden, gehen Sie zu http://www.freelists.org/webpage/silist. Um die Archive der Beiträge zu sehen, gehen Sie zu: https://www.freelists.org/archive/si-list/

Das IEEE bietet Zugang zu Publikationen, Konferenzen, Technologienormen sowie beruflichen und bildungsbezogenen Aktivitäten, um die Weiterentwicklung von Ingenieurdisziplinen zu fördern. Es ist möglich, dem IEEE als Ingenieur oder als Student beizutreten.

Durch die auf ihr integrierte Technologie ist jede heute entworfene PCB hochgeschwindigkeitsfähig. Zu verstehen, was Hochgeschwindigkeit bedeutet und welche Informationen einen gültigen Hochgeschwindigkeits-Designansatz darstellen, wird sicherstellen, dass Sie ein Produkt erstellen, das auf Anhieb richtig funktioniert.

Referenzen

1. Ritchey, Lee W. und Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.“

2. „Auswirkungen der 20-H-Regel und Abschirmungsvias auf elektromagnetische Strahlung von gedruckten Schaltkarten“, Huabo Chen, Studentenmitglied, IEEE, und Jiayuan Fang, Senior Mitglied, IEEE Abt. für

3. Elektrotechnik, University of California in Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064. „Strahlung durch Kanten-Effekte bei gedruckten Schaltkarten (PCBs)“, Dr. Zorica Pantic-Tanner & Franz Gisin, Präsentation beim monatlichen Treffen des Santa Clara Valley Chapter der IEEE EMC Society, Mai, 2000.

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