Richtlinien für das Layout von Hochgeschwindigkeits-PCBs: Platzierungstipps und -strategien

Im Immobilienbereich lautet das Schlagwort: „Lage, Lage, Lage“. Interessanterweise gilt das Gleiche für das Layout von Hochgeschwindigkeits-PCBs. Obwohl alle Aspekte des Designprozesses für Hochgeschwindigkeits-PCBs wichtig sind, ist die Platzierung der Komponenten besonders wichtig, um einfaches Routing zu gewährleisten, EMI zu minimieren und möglicherweise den Bedarf an einigen zusätzlichen Lagen zu eliminieren. Platzierungsmethoden, die bei einem Standard-PCB-Design problemlos funktionieren, erfüllen möglicherweise nicht die kritischen Signalflussanforderungen eines Hochgeschwindigkeitsdesigns. Damit das Design funktioniert, geht es wirklich um „Lage, Lage, Lage“.

Hier sind einige Tipps und Strategien, die Sie bei der Erstellung Ihres Hochgeschwindigkeits-PCB-Layouts berücksichtigen sollten. Zuerst werden wir einige grundlegende Überlegungen zur Platzierung von Komponenten für Hochgeschwindigkeitsdesigns betrachten, gefolgt von den Vorteilen der Erstellung eines Grundrisses, bevor Komponenten auf der Platine platziert werden. Zuletzt, aber sicherlich nicht weniger wichtig, werden wir über Abschlusswiderstände sprechen und wo sie platziert werden sollten.

Platzierung von Bauteilen in Ihrem Hochgeschwindigkeits-PCB-Layout

Jedes PCB-Layout ist wie ein schwieriges Puzzle, das es zu lösen gilt, mit vielen konkurrierenden Zielen. Oft hat man bestimmte Formfaktor-Beschränkungen und Schichtanzahl-Ziele, die man erreichen muss, und man muss sicherstellen, dass Teile so platziert werden, dass diese Einschränkungen und viele mehr erfüllt werden.

Teile in einem Hochgeschwindigkeits-PCB-Layout sollten im Allgemeinen auf folgende Weisen angeordnet werden:

1. Nach Schaltungsblock gruppiert: Zuerst sollten Komponenten, die spezifische Aufgaben im System übernehmen, zusammen gruppiert werden. Als Beispiel sollten alle Komponenten, die eine Rolle in der Spannungsregulierung spielen, zusammengefasst werden.
2. Um große Prozessoren herum gruppiert: Diese Komponenten haben tendenziell eine hohe I/O-Anzahl und werden direkt mit Ihren gruppierten Schaltungsblöcken interagieren. Versuchen Sie, die primären Schaltungsblöcke um Ihren zentralen Prozessor anzuordnen und dann die nachgelagerten Blöcke um diese herum.
3. Nach Zugang zu Routing-Kanälen gruppiert: Wenn Sie eine Reihe von Komponenten haben, die auf eine gemeinsame Schnittstelle an einer anderen Komponente zugreifen müssen, versuchen Sie, diese Komponenten so anzuordnen, dass ihre Pins einander zugewandt sind. Das wird nicht immer möglich sein, aber wenn es Ihnen gelingt, müssen Sie nicht durch innere Schichten oder auf langen Wegen um andere Komponenten herum routen.

Im folgenden Bild sehen Sie einen großen MCU im äußersten rechten Bereich des Layouts, und es gibt andere Komponenten, die um ihn herum gruppiert sind, mit ihren Pins, die auf den MCU zeigen. Weiter links können wir sehen, dass es sekundäre Komponenten wie Steckverbinder, LEDs und einige passive Bauteile gibt. Beachten Sie, dass diese grob ausgerichtet sind, um eine Seite des MCU zu face. Dies ermöglicht einige Verbindungen direkt vom MCU zu diesen Bereichen auf der linken Seite der Platine.

 
Beispiel für ein High-Speed-PCB-Layout

Bei der Planung der Platzierung von Funktionsblöcken der Schaltung, beachten Sie auch die Bedürfnisse der Strom- und Masseebenen. Die Verwendung durchgehender Stromebenen wird in der Regel bevorzugt, aber wenn die Bedürfnisse des Designs eine geteilte Stromebene für mehrere Spannungen erfordern, seien Sie vorsichtig bei der Platzierung von verbundenen Komponenten über die Teilung hinweg. Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen sollten keine Teilungen in Stromebenen kreuzen, da dies den Rückweg für diese Signale unterbrechen würde. Vermeiden Sie auch, andere Komponenten, die nicht Teil eines Schaltkreises sind, zwischen Komponenten dieses Schaltkreises zu platzieren. Dies wird ebenfalls den Rückweg für diesen Schaltkreis beeinflussen.

Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf die Platzierung von Teilen für verschiedene Komponentenblöcke, Anschlüsse und andere Schaltkreise werfen.

Vorbereitung auf die Platzierung durch Floorplanning Ihres Layouts

Ein Floorplan für Ihre Platzierung zu erstellen, ist eine effektive Methode, um sich auf ein Hochgeschwindigkeits-PCB-Layout vorzubereiten. Indem Sie im Voraus planen, können Sie Gruppen von Komponenten, wie oben erwähnt, berücksichtigen, anstatt am Ende des Designs überrascht zu werden, wenn sie platziert werden. 

Funktionale Blöcke

Funktionale Schaltungsblöcke wie Stromversorgung, RF, digital, analog usw. sollten organisiert und als Gruppen platziert werden, um das Kreuzen von Signalen zu minimieren. Ein vorab erstellter Floorplan ermöglicht es Ihnen zu sehen, wie der Signalfluss zwischen den funktionalen Blöcken ist und wie am besten dafür geplant werden kann. Gruppieren Sie beispielsweise Ihre analoge Niederfrequenztechnik so weit wie möglich, damit hochfrequente oder hochgeschwindigkeits Signale nicht durch empfindliche Bereiche der analogen Schaltungstechnik kreuzen müssen.

EMI und Anschlüsse

Sie sollten vermeiden, empfindliche Hochgeschwindigkeitsgeräte nahe am Rand der Platine zu platzieren. Dies liegt daran, dass der Rand der Platine wie eine offene Kammer wirken kann, die elektromagnetische Strahlung am Rand der Platine entweichen lässt, was bedeutet, dass mehr elektromagnetische Interferenzen (EMI) andere Komponenten in Ihrem System beeinflussen können.

Alle Kabel, die Ihre Platine für Daten oder Strom benötigt, müssen einen Anschluss auf Ihrer Platine erreichen, und diese können EMI abstrahlen. Daher ist es in der Regel eine gute Idee, Ihre Anschlüsse und Hochgeschwindigkeitskomponenten, digitale Hochgeschwindigkeitsfunktionsblöcke und hochfrequente analoge Blöcke zu trennen. Die meisten Richtlinien besagen, dass Sie Anschlüsse näher an den Platinenrändern und empfindliche Hochgeschwindigkeitsgeräte näher am Platinenzentrum platzieren sollten, um EMI in Ihrem Design zu reduzieren.

Hochgeschwindigkeits-Edge-Connectoren für PCIe-Karten. 

Wärmemanagement

Thermische Effekte sind ein weiterer Aspekt, den man bei der Platzierung von Hochgeschwindigkeitsdesigns berücksichtigen sollte. Dies liegt daran, dass die Richtlinien für Hochgeschwindigkeitslayouts erwarten, dass Geräte bei höheren Temperaturen als Standardkomponenten betrieben werden können. Um sicherzustellen, dass die Platzierung Ihrer heißen Komponenten kühl bleibt, planen Sie Ihre Platzierung so, dass diese Komponenten einen ungehinderten Luftstrom erhalten. Platzieren Sie beispielsweise keine höheren Komponenten, wie Steckverbinder, in die Richtung des Luftstroms zu einem heißen BGA.

Abschlusswiderstände und Impedanzanpassungsnetzwerke

Die letzte und spezifischste Platzierungsstrategie betrachtet die Platzierung Ihrer Abschlusswiderstände. Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs benötigen möglicherweise eine Terminierung am Quellenende oder Empfängerende einer Verbindung, abhängig von den Portimpedanzen der Komponenten und der Impedanz, die Sie anpassen müssen. Diese Widerstände werden oft als nachträglicher Einfall behandelt, nachdem die Hauptteile der Schaltung bereits platziert wurden. Da diese Widerstände Teil der gesamten Schaltung sind, ist ihre Platzierung äußerst wichtig für deren korrekte Funktion.

Unabhängig davon, wo Sie Ihre Hochgeschwindigkeitskomponenten platzieren möchten, müssen Sie irgendwo Platz für eventuell erforderliche Abschlusswiderstände schaffen. Wo sollte also ein Entwickler Abschlusswiderstände platzieren, und welche Auswirkungen hat dies auf das Signalverhalten? Zuerst müssen wir überlegen, ob wir Abschlusswiderstände in Serie oder parallel hinzufügen.

Parallele Abschaltung (Pull-up, Shunt oder Thevenin)

Die parallele Abschaltung wird normalerweise verwendet, um das Lastende einer Übertragungsleitung am Boden zu shunten, wenn die Lastkomponente eine hohe Eingangsimpedanz hat. Manchmal wird ein Pull-up-Widerstand verwendet, um das Signalniveau anzupassen, damit es vom Empfänger verarbeitet werden kann. Shunt- und Pull-up-Widerstände werden manchmal zusammen verwendet, was als Thevenin-Abschaltung bezeichnet wird. Diese passt das Signalniveau am Empfänger an und setzt die Eingangsimpedanz der Last so, dass sie mit der Impedanz der Übertragungsleitung übereinstimmt. Überprüfen Sie die Datenblätter Ihrer Komponenten, um zu sehen, welche Abschaltungsmethode Sie in Ihren Entwürfen verwenden sollten.

Dieses Schema platziert eine Seite eines Abschlusswiderstands am Ende des Schaltkreises, der dem Empfänger am nächsten liegt, während die andere Seite an die Strom- oder Masseebene angebunden wird. Je größer die Leiterbahnlänge vom Lastpin zum Widerstand ist, desto anfälliger ist der Schaltkreis für Signalreflexionen, was zu einer Signaldegradation führt. Deshalb sollten parallele Widerstände so nah wie möglich am Lastpin des Empfängers platziert werden, und sie sollten eine direkte Verbindung zurück zur Strom-/Masseebene durch eine Durchkontaktierung (Via) haben.

Serienabschluss

Der Zweck der Serienabschluss besteht darin, die Ausgangsimpedanz des Treibers gleich der Impedanz Ihrer Verbindungsleitung zu setzen. In diesem Abschlussschema wird ein Widerstand unmittelbar am Ausgangspin des Treibers platziert. Da der Widerstand sehr nah am Ausgangspin des Treibers liegt, wird die Eingangsimpedanz, die vom Treiber gesehen wird, ungefähr gleich der Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung sein.

Komponenten mit hoher Pinanzahl, wie BGA-Pakete, benötigen in der Regel keine Terminierung an jedem einzelnen Treiberpin. Bestimmte Schnittstellen können eine On-Die-Terminierung haben, sodass kein externer Terminierungswiderstand erforderlich ist. Für die Pins, die eine Serienterminierung benötigen, muss jedoch etwas Platz um die Außenseite der Komponente herum vorhanden sein, um die Terminierung anzuwenden. Das Platzieren mehrerer Serienterminierungswiderstände für ein großes Gerät wird jedoch viel Platz auf der Platine um das Gerät herum beanspruchen. Dies erfordert eine vorausschauende Planung, um sicherzustellen, dass ausreichend Platz verfügbar ist, ohne dass Spuren in Ihrem Layout für Hochgeschwindigkeits-PCBs entfernt und ersetzt werden müssen.

Unabhängig davon, welche Art von Terminierung Sie anwenden müssen, platzieren Sie die Widerstände nahe an den Komponenten, die sie terminieren. Platzieren Sie sie nicht in der Mitte einer Übertragungsleitung. Erfahren Sie mehr über diese Terminierungsmethoden in diesem Artikel.

Fan-in/Fanout

Das Routing in und aus Komponenten heraus ist ein wichtiger Teil des Layouts und Routings von Hochgeschwindigkeits-PCBs. Komponenten wie Quad-Packs lassen sich leicht routen, solange die Leiterbahnen korrekt dimensioniert sind. Die Leiterbahnen sollten idealerweise so dimensioniert sein, dass sie mit minimaler Verjüngung in die Pads führen können, wenn eine Impedanzspezifikation vorliegt. Wenn die Schnittstelle eine Impedanzanforderung hat, ist es am besten, den Stack-Up so zu entwerfen, dass die Breite Ihrer Leiterbahn zur Pad-Größe auf den Komponenten passt. Wenn dies aus Kostengründen nicht möglich ist, wird eine Verjüngung oder koplanare Verlegung mit dem benachbarten Kupfer-Pour erforderlich. Koplanar ist normalerweise unpraktisch, daher ist es am besten, einfach zu versuchen, die Zielbreite zu erreichen.

Verjüngung von einer breiten Leiterbahn zu einem schmalen Pin.

Wir bevorzugen es, das Neck-Down bei impedanzkontrollierten Bussen kurz zu halten, aufgrund der Anforderung, eine kritische Länge zu berechnen. Meiner Meinung nach ist die beste Praxis, den Stack-Up so zu entwerfen, dass die Anforderungen an die 50-Ohm-Leiterbahnbreite bereits der Leiterbahnbreite zur Pad-Größe entsprechen. Dies liefert das beste Ergebnis, bei dem das Neck-Down vollständig eliminiert wird. Bei Bussen, bei denen keine Impedanzspezifikation vorliegt, müssen Sie sich keine Sorgen machen, es sei denn, die Verlegung wird sehr lang oder Sie verlegen auf ein Kabel.

Was ist mit BGAs? BGAs sind ein Bauteilpaket, bei dem manchmal ein Neck-Down bei impedanzspezifizierten Bussen erforderlich ist, um eine Leiterbahn zwischen den Pads zu bekommen. Wenn Sie mit einem BGA entwerfen, stoßen Sie wahrscheinlich sowieso bereits an die Grenzen der Fähigkeiten, selbst bei BGA-Paketen mit einem 1-mm-Pitch. Der Pitch erzeugt eine Anforderung an die Pad-Größe, und dies erzeugt eine Anforderung an die Leiterbahnbreite, um Freiräume zu wahren.

Um sicherzustellen, dass Sie die Anforderung an die Leiterbahnbreite bei impedanzspezifizierten Bussen treffen können, werden Sie höchstwahrscheinlich ein dünneres Laminatmaterial verwenden müssen. BGAs mit impedanzspezifizierten Schnittstellen drängen auf kleinere dielektrische Dicken, wenn der Pitch kleiner wird. Um dies besser zu verstehen, erfahren Sie mehr über BGA-Fanouts in diesem Artikel.

Floorplanning und andere Strategien, über die wir gesprochen haben, werden Ihnen einen großartigen Start geben, wenn Sie Ihr High-Speed-PCB-Layout erstellen. Die besten Werkzeuge für das High-Speed-PCB-Design können Ihnen bei der Platzierung sowie bei vielen anderen Aspekten des Designs helfen. Professionelle PCB-Designsoftware, wie Altium Designer^®, verfügt über die richtigen Werkzeuge für den Job.

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