Was versteht man unter Hochgeschwindigkeitsdesign?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 24, 2021
Was ist Hochgeschwindigkeitsdesign

Die meisten Leiterplatten sind heute anfällig für Signalintegritätsprobleme, die normalerweise mit digitalen Hochgeschwindigkeitsdesigns zusammenhängen. Bei der Entwicklung und dem Layout von High-Speed-Leiterplatten liegt daher der Schwerpunkt auf der Erstellung eines Leiterplattendesigns, das weniger anfällig für Probleme mit der Signalintegrität, der Energieversorgung und EMI/EMV ist. Zwar ist kein Entwurf jemals völlig frei davon, doch können diese so weit reduziert werden, dass sie nicht mehr auffallen und keine Leistungsminderung des Endprodukts verursachen.

Sobald Ihre Schaltpläne erstellt sind und Sie zur Entflechtung übergehen, sollten Sie bestimmte Funktionen in Ihren PCB-Design-Tools nutzen, um das Layout korrekt auszuführen. In Ihrer PCB-Designsoftware haben Sie die Möglichkeit, die Anordnung der Stromversorgungs- und Masseflächen in Ihrem Lagenaufbau vorzubereiten, Impedanzprofile für Ihre Leiterbahnen zu berechnen und PCB-Materialoptionen auszuwählen. Der überwiegende Teil des Hochgeschwindigkeitsdesigns dreht sich um das PCB-Stackup-Design und das Routing, um die Signal- und Leistungsintegrität zu gewährleisten. Die richtige ECAD-Software kann den Erfolg in diesen Bereichen sicherstellen.

  1. Planung des PCB-Aufbaus und der Impedanz
  2. Raumplanung für eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte
  3. Routing, Signalintegrität und Leistungsintegrität
  4. Erweiterte Tools für High-Speed-Design und Layout

High-Speed-Design bezieht sich speziell auf solche Systeme, die digitale High-Speed-Signale zur Datenübertragung zwischen Schaltungskomponenten verwenden. Die Grenze zwischen einem digitalen High-Speed-Design und einer einfachen Leiterplatte mit langsameren digitalen Logiken ist fließend. Allgemeiner Maßstab für die Einstufung eines bestimmten Systems als „High-Speed“ ist die Flankensteilheit (oder Anstiegszeit) der im System verwendeten digitalen Signale. Die meisten Entwürfe dieser Art verwenden Digitalprotokolle mit hoher Geschwindigkeit (hohe Flankensteilheit) und niedriger Geschwindigkeit (geringe Flankensteilheit). In der heutigen Ära von Embedded Computing und IoT verfügen die meisten High-Speed-Baugruppen obendrein über ein HF-Frontend für die drahtlose Kommunikation und Vernetzung.

Zwar gehen alle Konstruktionen von einem Schaltplan aus, aber ein großer Teil der High-Speed-Leiterplattenkonstruktionen konzentriert sich auf die Dimensionierung der Verbindungen, den Aufbau der Leiterplatten und die Entflechtung. Ist man in den ersten beiden Bereichen erfolgreich, dann gelingt es wahrscheinlich auch im dritten Bereich. Lesen Sie die folgenden Abschnitte, um zu erfahren, wie Sie in das Hochgeschwindigkeitsdesign einsteigen und warum Ihre PCB-Designsoftware dabei eine wichtige Rolle spielt.

Planung des Lagenaufbaus und der Impedanz

Der Lagenaufbau der Platine, den Sie für eine High-Speed-Leiterplatte wählen, ist ausschlaggebend für die Impedanz und erleichtert das Routing. Diese Stackups enthalten mehrere Lagen für Signale, Stromversorgungen und Masseflächen. Bei der Zuweisung der Lagen sind einige Punkte zu beachten:

  • Größe der Leiterplatte und Anzahl der Netze: Wie groß wird die Leiterplatte sein und wie viele Netze müssen Sie im Leiterplattenlayout verlegen? Größere Platinen haben möglicherweise genug Platz, um das gesamte Leiterbild mit ein paar Signallagen zu verlegen.
  • Routing-Dichte: Bei hoher Netzzahl und geringer Leiterplattengröße ist möglicherweise nicht viel Platz für das Routing um die Oberflächenlage herum vorhanden. Daher werden mehr interne Signallagen benötigt, je enger die Leiterbahnen beieinanderliegen. Eine kleinere Leiterplatte kann eine höhere Routing-Dichte erzwingen.
  • Anzahl der Schnittstellen: Manchmal ist es eine gute Strategie, abhängig von der Busbreite (seriell vs. parallel) und der Größe der Platine, nur eine oder zwei Schnittstellen pro Schicht zu routen. Wenn alle Signale einer digitalen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle auf derselben Schicht liegen, begünstigt dies, dass alle Signale die gleiche Impedanz und den gleichen Phasenversatz aufweisen.
  • Niedrige Geschwindigkeit und HF-Signale: Wird es in Ihrem Design Digitalsignale mit niedriger Geschwindigkeit oder Hochfrequenzsignale geben? Wenn dies der Fall ist, nehmen diese möglicherweise Platz auf der Oberflächenschicht ein, der für einen Hochgeschwindigkeitsbus oder Komponenten genutzt werden könnte, was eine zusätzliche Innenlage erforderlich machen könnte.
  • Integrität der Stromversorgung: Einer der Eckpfeiler der Leistungsintegrität ist die Verwendung einer großen Stromversorgungsebene und einer Masseebene für sämtliche Spannungspegel, die für Ihre großen ICs erforderlich sind. Diese sollten auf benachbarten Lagen platziert werden, um sicherzustellen, dass eine hohe Flächenkapazität vorhanden ist, die eine stabile Leistung mit Entkopplungskondensatoren unterstützt.

PCB-Materialauswahl, Lagenanzahl und -dicke

Bevor Sie Ihren Leiterplattenaufbau entwerfen, sollten Sie sich überlegen, wie viele Lagen Sie benötigen, um alle digitalen Signale in Ihrem Design unterzubringen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu ermitteln. Diese Methoden beruhen jedoch auf ein wenig Mathematik und einer gewissen Erfahrung in der Entwicklung von High-Speed-Baugruppen. Zusätzlich zu den oben genannten Punkten zur Berücksichtigung der Lagenzahl können große High-Speed-ICs im BGA/LGA-Gehäuse die erforderliche Leiterplattengröße diktieren. Beim BGA-Fanout können Sie in der Regel zwei Reihen pro Signallage unterbringen. Achten Sie beim Aufbau eines Stapels darauf, dass Sie die Stromversorgungs- und Masseebenen in Ihre Lagenzahl einbeziehen.

Was ist Hochgeschwindigkeitsdesign
BGA-Fanout bei einem FPGA mit einem großen Polygon, das für die Stromversorgung in einem High-Speed-Design verwendet wird.

FR4-Materialien können in der Regel für ein digitales High-Speed-Design verwendet werden, solange die Wege zwischen den Bauteilen nicht zu lang werden. Andernfalls kommt es zu großen Verlusten und die Bauteile auf der Empfängerseite des Kanals sind möglicherweise nicht in der Lage, diese wiederherzustellen. Die wichtigste Materialeigenschaft, die bei der Auswahl zu berücksichtigen ist, ist der Verlustfaktor der PCB-Laminate. Die Kanalgeometrie ist ebenfalls wichtig, aber im Allgemeinen ist die Entscheidung für ein FR4-Laminat mit geringerem Verlust ein sinnvoller Ansatzpunkt für kleinere Leiterplatten.

Sind die Leiterwege zu lang, dann ist möglicherweise ein hochwertigeres Trägermaterial erforderlich. Laminate auf PTFE-Basis, Glasfaserlaminate oder andere spezialisierte Materialsysteme sind eine gute Wahl für größere digitale High-Speed-Boards, bei denen die Leitungen länger sind und eine geringe Einfügedämpfung erforderlich ist. Ein gutes Laminat mit hoher Tg für kleine High-Speed-Leiterplatten ist 370HR. Für größere Platinen sind Laminate wie Megtron oder Duroid eine gute Wahl. Vergewissern Sie sich bei Ihrem Lieferanten, dass Ihre Materialauswahl und der vorgeschlagene Lagenaufbau herstellbar sind, bevor Sie fortfahren.

Impedanzkontrolle

Die Impedanz wird erst dann festgelegt, wenn Ihr Lagenaufbau erstellt und mit Ihrem Hersteller abgestimmt ist, denn der Hersteller kann Änderungen am Stackup vorschlagen, z. B. alternative Leiterplattenmaterialien oder Lagenstärken. Sobald Sie sein OK für den zu verwendenden Lagenaufbau erhalten haben und die Schichtdicken endgültig feststehen, können Sie mit der Berechnung der Impedanzwerte beginnen.

Die Impedanz wird normalerweise anhand einer Formel oder mit einem Rechner mit einem Field-Solver-Tool berechnet. Welche Breite Sie für Ihr Design benötigen, bestimmt die Abmessungen Ihrer Übertragungsleitung und den Abstand zu nahe gelegenen Stromversorgungs- oder Masselagen. Sie kann mit einigen der folgenden Werkzeuge bestimmt werden:

Die Verwendung eines Layer-Stack-Managers mit einem Field-Solver liefert die genauesten Ergebnisse und berücksichtigt dabei Kupferrauigkeit, Ätzung, asymmetrische Leitungsanordnungen und differenzielle Paare. Sobald das Impedanzprofil für Ihre Leiterbahnen berechnet ist, muss es als Design-Regel in Ihrem Entflechtungstool festgelegt werden, um sicherzustellen, dass Ihre Leiterbahnen die erforderliche Impedanz aufweisen.

Hochgeschwindigkeitsdesign
Impedanzberechnung von Übertragungsleitungen auf einer High-Speed-Platine. Der Layer Stack Manager in Altium Designer enthält einen Impedanzrechner, der die Kupferrauigkeit berücksichtigt.

Die meisten Hochgeschwindigkeitsprotokolle, wie z. B. PCIe oder Ethernet, verwenden eine differenzielle Leitungsführung, sodass Sie durch die Berechnung der Leiterbahnbreite und des Abstands eine bestimmte differenzielle Impedanz berücksichtigen müssen. Ein Field-Solver-Tool ist das beste Hilfsmittel für die Berechnung der differenziellen Impedanz in beliebigen Konfigurationen (Microstrip, Stripline oder Koplanar). Ebenfalls wichtig ist die Laufzeitverzögerung, die beim Entflechten verwendet wird, um die Leitungslänge zu optimieren.

Raumplanung für eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte

Es gibt keine speziellen Regeln oder Normen für die Platzierung von Komponenten in einem High-Speed-Leiterplattenlayout. Im Allgemeinen ist es eine gute Idee, die größte CPU möglichst mittig auf der Platine zu platzieren, da sie in der Regel mit allen anderen Komponenten auf der Platine in irgendeiner Weise verbunden werden muss. Kleinere ICs, die direkt mit dem zentralen Prozessor verbunden sind, können ringsherum platziert werden, sodass die Leitungswege zwischen den Bauteilen möglichst kurzgehalten werden können. Peripheriegeräte werden dementsprechend um die Platine herum angeordnet, um die gewünschte Funktionalität bereitzustellen.

Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenlayout
Ein Hochgeschwindigkeits-Layout funktioniert am besten, wenn das primäre Controller-IC in der Platinenmitte platziert wird und andere Hochgeschwindigkeits-Peripheriegeräte darum herum angeordnet werden. Dies ist ein Grund dafür, dass Motherboards einen großen Prozessor in der Mitte des Boards haben. Beim MiniPC-Projekt in Altium Designer sind die PCIe-, DDR4-, USB 3.0- und Ethernet-Peripheriegeräte um den zentralen FPGA-SoC herum platziert, wodurch das Routing wesentlich vereinfacht wird.

Sobald die Bauteile platziert sind, können Sie Ihre Design-Tools so einrichten, dass Sie mit dem Routing Ihres Designs beginnen können. Hierbei handelt es sich um einen sensiblen Designschritt, da ein falsches Routing die Signalintegrität beeinträchtigen kann. Wenn jedoch die vorherigen Schritte ordnungsgemäß durchgeführt wurden, ist diese viel einfacher zu erreichen. Sie sollten Ihr Impedanzprofil in den PCB-Design-Regeln festlegen, damit alle Leiterbahnen im Design mit der richtigen Breite und dem passenden Abstand platziert werden, um eine gleichbleibende Impedanz während des Entflechtens zu gewährleisten.

Routing, Signal- und Leistungsintegrität

Die Signalintegrität beginnt mit dem Entwurf eines bestimmten Impedanzwerts auf Ihrer Leiterplatte und der Einhaltung dieses Werts während der gesamten Entflechtung. Weitere Strategien zur Gewährleistung der Signalintegrität sind:

  • Möglichst kurze Wege zwischen den Bauteilen
  • Minimierung der Signalführung durch Durchkontaktierungen hindurch, idealerweise nur zwei Durchkontaktierungen in und aus einer internen Schicht
  • Vermeiden von Stichleitungen auf Ultra-Hochgeschwindigkeitsleitungen (z. B. 10G+ Ethernet) mittels Backdrilling
  • Achten Sie darauf, ob Abschlusswiderstände erforderlich sind, um Signalreflexionen zu verhindern. Schauen Sie in den Datenblättern nach, ob eine On-Die-Terminierung vorhanden ist.
  • Lassen Sie sich von Ihrem Lieferanten beraten, welche Materialien und Verfahren Ihnen helfen können, Faserwebeffekte zu vermeiden.
  • Verwenden Sie eine grobe Übersprechberechnung oder -simulation, um den geeigneten Abstand zwischen den Netzen in Ihrem Leiterplattenlayout zu bestimmen.
  • Führen Sie eine Liste der Busse und Netze, für die eine Längenanpassung erforderlich ist, damit geeignete Strukturen zur Laufzeitanpassung eingesetzt werden können.

Diese wichtigen Punkte lassen sich als Design-Regeln für Ihre Routing-Tools festlegen, um sicherzustellen, dass Sie die Best Practices für ein High-Speed-Design berücksichtigen.

Entflechtung von High-Speed-Leiterplatten

Die Design-Regeln, die Sie in Ihrem High-Speed-Projekt festlegen, stellen sicher, dass Sie die Impedanz-, Abstands- und Längenvorgaben während der Leiterbahnführung einhalten. Darüber hinaus können wichtige Regeln für das Routing von differenziellen Leitungspaaren erzwungen werden, insbesondere die Minimierung von Längenfehlern zur Vermeidung von Laufzeitverzerrungen und das Erzwingen von Abständen zwischen Leiterbahnen, um differenzielle Impedanzen einzuhalten. Die besten Entflechtungstools ermöglichen es Ihnen, die Grenzen der Leiterbahngeometrie als Design-Regeln zu hinterlegen, sodass Sie effizient arbeiten können.

Hochgeschwindigkeits-Längenabstimmung
Die Längenabstimmung wird bei parallelen Bussen und zwischen Leiterbahnen in differentiellen Leitungspaaren eingesetzt, um eine Anpassung der Zeitverzögerung zu ermöglichen und einen Laufzeitverzerung zwischen den Signalen empfängerseitig zu vermeiden.

Einer der wichtigsten Punkte beim Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenrouting ist die Platzierung von Masseflächen in der Nähe Ihrer Leiterbahnen. Der Lagenaufbau sollte so gewählt werden, dass in den Lagen, die an impedanzkontrollierte Signale angrenzen, Masseflächen vorhanden sind, sodass eine einheitliche Impedanz erhalten bleibt und ein definierter Rückweg im Leiterplattenlayout vorhanden ist. Leiterbahnen sollten nicht über Lücken oder Unterbrechungen in Masseflächen verlegt werden, um eine Impedanzdiskontinuität zu vermeiden, die wiederum EMI-Probleme verursachen. Die Platzierung von Masseflächen beschränkt sich nicht nur auf die Sicherstellung der Signalintegrität, sondern spielt auch eine Rolle bei der Integrität und der Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung.

Integrität der Stromversorgung

Die Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung für High-Speed-Komponenten ist beim Leiterplattendesign von entscheidender Bedeutung, da sich derartige Probleme oft als Signalintegritätsprobleme tarnen. Sie verursachen auch unnötige Abstrahlung von Verbindungsleitungen und Bussen, da Transienten starke Oszillationen erzeugen, die wiederum erheblich strahlen. Um eine stabile Leistungsabgabe zu gewährleisten, sollten Sie Entkopplungskondensatoren mit verschiedenen Eigenresonanzen verwenden, um sicherzustellen, dass das Design über eine möglichst große Bandbreite eine niedrige Impedanz aufweist. Die Verwendung eines Stromversorgungs- und Masseflächenpaares auf benachbarten Lagen bietet zusätzliche Kapazität, um die PDN-Impedanz niedrig zu halten.

Erweiterte Tools für High-Speed-Design und Layout

Die beste Software für das High-Speed-Leiterplatten-Design vereint all diese Fähigkeiten in einer einzigen Anwendung. So sind Sie nicht gezwungen, verschiedene Workflows zur Bewältigung unterschiedlicher Design-Herausforderungen einzusetzen. High-Speed-Leiterplattenentwickler müssen im Vorfeld viel Arbeit leisten, um Signalintegrität, Stromversorgungsintegrität und elektromagnetische Verträglichkeit zu gewährleisten. Mit den richtigen High-Speed-Layout-Tools können Sie Ihre Ergebnisse jedoch in Design-Regeln formulieren, um sicherzustellen, dass das Design wie erwartet funktioniert.

Fortschrittlichere PCB-Designsoftware verfügt über Schnittstellen zu Simulationsanwendungen, mit denen Sie branchenübliche Analysen durchführen können. Einige Simulationsprogramme sind speziell auf die Bewertung der Signal- und Stromversorgungsintegrität in einem Neuentwurf sowie auf die Untersuchung der EMI in einem PCB-Layout ausgerichtet. Simulationen sind beim Hochgeschwindigkeitsdesign sehr nützlich, da sie den Benutzern helfen können, spezifische SI/PI/EMI-Probleme zu erkennen, bevor ein Design in Serie geht. Einige Beispiele sind die Rückwegverfolgung, das Auffinden einer Impedanzdiskontinuität in Leiterbahnen und die ideale Platzierung von Entkopplungskondensatoren zur Vermeidung von EMI.

Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenentwurf
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Wenn Sie fortschrittliche Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme entwickeln und gleichzeitig die Signal- und Stromversorgungsintegrität sicherstellen müssen, sollten Sie die besten Hochgeschwindigkeits-Design- und Layout-Tools verwenden, die auf einer regelbasierten Design-Engine basieren. Ganz gleich, ob Sie einen kompakten Einplatinencomputer oder eine komplexe Mixed-Signal-Leiterplatte layouten müssen: Mit den besten PCB-Layout-Tools bleiben Sie bei der Erstellung Ihres Hochgeschwindigkeits-Layouts flexibel.

Schaltungsentwickler, Layout-Ingenieure und SI/PI-Ingenieure vertrauen bei High-Speed-Design und -Layoutanforderungen auf die fortschrittlichen Design-Tools von Altium Designer®. Wenn Sie ein Design entwickelt haben und für die Produktion freigeben möchten, können Sie über die Altium-365™-Plattform problemlos zusammenarbeiten und Ihre Projekte im Team bearbeiten.

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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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