PCB Bus-Routing und Layout: die Grundlagen

Zachariah Peterson
|  Erstellt: December 11, 2019  |  Aktualisiert am: January 25, 2021

SMPS circuit for a network switch

Spannungsversorgung an einem Netzwerk-Switch

Modernes Computing wäre ohne PCB Bus-Routing und Layout einfach nicht möglich. Das Gleiche gilt für viele digitale Systeme, die Daten parallel verarbeiten. Wenn Sie an einem neuen PCB Design arbeiten und einen Bus zwischen verschiedenen Bauteilen routen müssen, gibt es einige einfache Regeln, die Sie befolgen können, um sicherzustellen, dass Ihre Signale nicht verzerrt werden und dass aufeinanderfolgende Bauteile korrekt angesteuert werden. Da einige Designer die Sinnhaftigkeit von rechtwinkligen Windungen beim Bus-Routing in Frage stellen, werde ich diesen Punkt hier ebenfalls ansprechen.

Vier Regeln für das PCB Bus-Routing

Beim Bus-Routing gibt es drei wichtige Punkte, die für eine konsistente Leiterbahnimpedanz, eine korrekte Terminierung und einen engen Masse-Rückpfad zur Minimierung der Schleifeninduktivität sorgen. Ein weiterer wichtiger Punkt, den es zu beachten gilt, ist die Anpassung der Leiterbahnlänge bei parallelen Bussen. Dasselbe gilt für das Routing eines Taktsignals entlang Ihres Busses, egal ob es sich um einen gemeinsamen Takt oder einen quellensynchronen Takt handelt. Eingebettete Takte, bei denen ein Taktsignal in den ersten paar Bits Ihres Bitstroms kodiert ist, verursachen keine Probleme mit dem Takt-Routing beim PCB Bus-Routing.

Wenn Sie bei einem Bus einen gemeinsamen Takt verwenden, steigt mit zunehmender Anzahl von in Reihe geschalteter Treiber-/Empfänger-ICs die Anfälligkeit für falsch getimte Signalisierungen. Das liegt daran, dass jeder IC einen gewissen Jitter auf den Signalleitungen beiträgt, und sich Jitter in Quadratur addiert. Außerdem hat jeder IC eine gewisse Verzögerung, und die Taktleitungen von Ihrer gemeinsamen Taktquelle müssen verzögert angepasst werden, um die akkumulierte Ausbreitungsverzögerung zu berücksichtigen. Man kann Jitter im Takt mit einer PLL unterdrücken, aber das ist nicht wirklich praktikabel, vor allem, wenn man die Umlauftaktung auf einem bidirektionalen Bus berücksichtigt. Da digitale Systeme komplexer geworden sind, sind standardisierte ICs zu einem quellensynchronen oder eingebetteten Taktschema übergegangen. Aber auch bei quellensynchroner Taktung müssen Sie sicherstellen, dass der Takt richtig längenangepasst ist, damit der Treiber/Empfänger zum richtigen Zeitpunkt einrastet.

Bidirektionaler Bus in einem Schaltplan

Verwendung von Durchkontaktierungen beim PCB Bus-Routing

Bei der Aufrechterhaltung konsistenter Signal-/Taktleitungslängen und konsistenter Impedanz geht es unter anderem darum, wie Sie die Signale in Ihrem Bus verlegen. Selbst bei niedrigen Datenraten sollten Sie versuchen, Durchkontaktierungen auf Ihren Busleitungen zu minimieren, um Impedanzunterbrechungen zu vermeiden. Wenn Sie Durchkontaktierungen auf Ihren Busleitungen verwenden, müssen Sie sie möglicherweise entlang der Leiterbahn versetzt platzieren, um genügend Platz für die Durchkontaktierungen zu schaffen.

Dies gilt insbesondere dann, wenn Sie dichte Differenzialpaare mit einer bestimmten Differenzial- / Single-Ended-Impedanz routen, da es schwierig sein kann, Durchkontaktierungen direkt nebeneinander auf einer Gruppe von Leiterbahnen zu platzieren. Bei Differenzialpaaren reicht ein geringer Abstand zwischen den Durchkontaktierungen, solange Sie diese symmetrisch entlang des Paares anordnen. Die Kopplung wird etwas abgeschwächt, wenn Sie Platz für Ihre Durchkontaktierungen schaffen, aber Sie haben immer noch eine ausreichende Gleichtakt-Rauschunterdrückung am Empfänger.

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PCB Bus-Routing in mehreren Lagen

Bei der Verwendung von Bauteilen mit niedrigem Pegel (3,3 V oder weniger) und sehr engen Toleranzen ist es am besten, Stromversorgungs- und Masseebenen auf benachbarten Lagen zu platzieren, mit der Masseebene direkt unter der Oberfläche, um die Signal- und Stromintegrität zu gewährleisten. An diesem Punkt müssen Sie sich keine Gedanken über orthogonales Routing machen, aber Sie müssen eine konsistente Längenanpassung und Impedanz für Signale in Ihrem Bus sicherstellen. Dies bringt uns zu einem weiteren Punkt, der mit dem PCB Bus-Routing zu tun hat und den ich oft in Foren gefragt sehe. Es geht um die Verwendung von 45-Grad- oder rechtwinkligen Windungen beim Routing von Signalen in einem Bus (oder in jeder anderen Situation).

Rechtwinklige oder 45-Grad Windungen beim PCB Bus-Routing?

Wir haben über dieses Thema in einem kürzlich erschienenen Artikel gesprochen. Die Diskussion gilt genauso für das Bus-Routing wie für einzelne Leiterbahnen. Wenn Sie einen Bus routen, werden Sie höchstwahrscheinlich irgendwann rechtwinklige Biegungen verwenden müssen. Die meisten Designer werden behaupten, dass Sie niemals rechtwinklige Windungen in einem PCB-Layout verwenden sollten, da an der Ecke EMI entsteht, und dieses Problem würde auch bei einem Bus auftreten. Sobald ein Bus in einzelne Leiterbahnen aufgeteilt ist, folgt logischerweise, dass starkes Übersprechen in einer Leiterbahn in der Nähe der rechtwinkligen Ecke auftreten würde. Man sagt auch, dass eine rechtwinklige Biegung dazu führt, dass das Signal zurück zur Quelle reflektiert wird.

Mathematisch gesehen gibt es eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Leiterbahn und dem freien Raum, einfach aufgrund des Brechungsindexkontrasts. Wann immer Sie eine Impedanzfehlanpassung haben, besteht das Potenzial für Reflexion und Resonanz; dies ist in jeder Struktur der Fall, in der sich eine Welle ausbreitet. Ob die Resonanz jedoch als stehende Welle unterstützt werden kann, was starke EMI und Übersprechen erzeugen würde, hängt von den Dimensionen der Struktur im Vergleich zur Frequenz des sich ausbreitenden Signals (entweder digital oder analog) ab.

Der praktische Grund, warum einige Designer von rechtwinkligen Windungen abraten, ist ihre Herstellbarkeit. Ecken können Säurefallen in einer Leiterplatte bilden, wenn die Oberflächenspannung der Ätzlösung das Ätzmittel an der Ecke einschließt. Dies ist eher ein Problem in engen Ecken, wo eine Leiterbahn in einem spitzen Winkel abzweigt. Wenn sich das Ätzmittel in einer Säurefalle verfängt, kann es zu einer Überätzung kommen, die die Oberflächenrauheit der Leiterbahn erhöhen würde. Heutzutage ist dies ein Problem, das vor allem bei minderwertigen Herstellern aus Übersee auftritt.

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Blaues PCB Bus-Routing Layout

Extrem hochfrequente analoge Signale oder digitale Signale mit sehr schnellen Anstiegszeiten (wir sprechen hier von unter 20 ps!) können eine erzwungene Resonanz in der Nähe der Ecke erzeugen, aber nur, wenn die Geometrie der rechtwinkligen Struktur klein genug ist. Die dem Signal zugeordnete halbe Wellenlänge (verwenden Sie die Kniefrequenz für digitale Signale) kann im Allgemeinen als Maßstab verwendet werden, um zu prüfen, ob in einer gegebenen Struktur eine erzwungene Resonanz auftritt. Im Falle einer rechtwinkligen Windung sollte eine viertel Wellenlänge verwendet werden, da Sie eine offene Struktur haben.

Für ein digitales Signal mit 20 ps Anstiegszeit (17,5 GHz Kniefrequenz) beträgt die halbe Wellenlänge 4,2 mm, wenn man eine effektive Dielektrizitätskonstante von 4 annimmt. Selbst wenn wir eine großzügige Leiterbahnbreite von 0,5 mm (20 mils) berücksichtigen, um eine Impedanz von 50 Ohm auf FR4 mit Standarddicke aufrechtzuerhalten, ist die Geometrie immer noch zu klein, um eine solch hochfrequente Resonanz zu unterstützen. Das bedeutet, dass jede Resonanz schnell abklingt, wenn sie EMI von der Leiterbahn abstrahlt. Für praktische Zwecke können Sie die Probleme mit rechtwinkligen Windungen beim PCB Bus-Routing ignorieren, da die abgestrahlte EMI in den meisten Situationen schwach ist. Bei sehr hochfrequenten analogen Signalen besteht ein größeres Potenzial für Resonanzen, da die Breite dieser Leiterbahnen in der Regel viel größer ist.

Prüfen Sie Ihre Datenblätter und Signalisierungsstandards!

Auch wenn die Datenblätter scheinbar widersprüchliche Informationen enthalten, geben sie in der Regel die zulässigen Toleranzen beim Routing eines Signalbusses an. Sie sollten jede Längen-/Timing-Fehlanpassung und Impedanzvariation als Designregel eingegeben, um sicherzustellen, dass Ihr Bus wie angegeben funktioniert. Ihre interaktiven Routing-Tools können Ihre Platine während des Routings überprüfen und die korrekte Funktionsweise sicherstellen.

Die interaktiven Layout-Tools in Altium Designer® sind ideal für das PCB Bus-Routing. Diese Tools überprüfen Ihr Layout automatisch gegen Ihre Designregeln, während Sie die Platine erstellen. Mit den Pre-Layout- und Post-Layout-Simulationstools können Sie die Signalintegrität in Ihrem Bus-Design überprüfen, bevor Sie es in die Fertigung geben.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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