Diseño de Backplane de Alta Velocidad y Consejos para el Diseño de PCB

Si necesita conectar múltiples tarjetas en un sistema más grande y proporcionar interconexiones entre ellas, probablemente usará un plano posterior para organizar estas tarjetas. Los planos posteriores son tarjetas avanzadas que toman algunos elementos del diseño de alta velocidad, diseño mecánico, diseño de alta tensión/alta corriente e incluso diseño RF. Estas tarjetas se utilizan a menudo en sistemas de defensa críticos para la misión, sistemas de telecomunicaciones y centros de datos. Llevan consigo un conjunto de estándares que van más allá de los requisitos de fiabilidad en IPC.

Aunque los planos posteriores siguen estándares particulares no vistos en muchas otras PCBs, los conceptos involucrados en el diseño y enrutamiento son familiares para muchos diseñadores de PCB. Un gran número de conectores y redes, y el espacio reducido en un plano posterior típico, pueden parecer desafiantes al principio. Sin embargo, algunas estrategias simples pueden ayudarlo a mantenerse organizado y completar un diseño de plano posterior asegurando una alta fiabilidad. Mi esperanza es que aprenda algunas estrategias para abordar su próximo diseño de plano posterior en términos de enrutamiento y diseño para equilibrar la fiabilidad y la integridad de la señal. Sin mucho más, vamos a sumergirnos en esta rica área del diseño de PCB.

Comenzando con el Diseño de Plano Posterior

Existen múltiples enfoques al comenzar con el diseño, disposición y enrutamiento de backplanes. Estos diseños pueden ser difíciles porque podrías encontrarte gestionando miles de conexiones a través de una placa grande con espacio limitado y un conteo de capas restringido. Además, los backplanes podrían estar involucrados en suministrar energía a las tarjetas hijas, y cada tarjeta hija podría estar extrayendo múltiples amperios de corriente a través de una variedad de dispositivos de alta velocidad. Esto significa que tu backplane podría necesitar soportar ~100 A de corriente.

Dado que la función principal de un backplane es proporcionar conexiones entre múltiples placas en un sistema más grande, todo gira en torno a los conectores que utilizarás, y estos conectores son por donde comienza tu diseño. Aquí están algunas de las tareas básicas involucradas en el diseño de backplanes:

1. Pinout: El primer paso es determinar el pinout en tus conectores para soportar tu topología de enrutamiento requerida. Profundizaré más en este punto a continuación.
2. Requisitos mecánicos: Además de la colocación adecuada de los conectores de las tarjetas hijas, se utilizan pines guía para asegurar un acoplamiento adecuado y la integridad estructural. La imagen al final de esta lista muestra un pin guía típico utilizado con conectores de backplane.
3. Selección de materiales: Para backplanes de alta velocidad, este es un punto crítico en el proceso de diseño. Dado que los backplanes pueden ser bastante grandes, cualquier señal que necesite viajar a través de todo el plano podría experimentar una pérdida significativa. Laminados de baja pérdida con tejido de vidrio ajustado son necesarios para ayudar a minimizar la pérdida de inserción en interconexiones largas. Algunos ejemplos útiles para backplanes multi-gig son los laminados Rogers y Megtron.
4. Estrategia de alimentación y tierra: Para backplanes que necesitan llevar alta potencia a un gran número de tarjetas hijas, necesitarás una estrategia de alimentación y tierra que ayude a mantener baja la temperatura. La disposición de los planos de tierra/alimentación en diferentes capas del plano también debe proporcionar aislamiento para las señales de alta velocidad que se enrutan alrededor de la placa.
5. Conteo de capas: El número de capas que necesitas en tu backplane dependerá del conteo de capas del plano así como del número de capas de señal que necesitarás. Un backplane podría tener hasta 24 capas y ser de varios mm de espesor para acomodar todos los requisitos de diseño.

Los puntos anteriores son los mismos que necesitarías considerar en cualquier otro diseño de alta velocidad. Sin embargo, las cosas se vuelven un poco diferentes cuando trabajas en un backplane, ya que el diseño de los pines de tu conector limitará el enrutamiento. Esta es una gran parte del diseño de backplanes y debe planificarse cuidadosamente.

Todo se Trata de Conectores, Distribución de Pines y Enrutamiento

Mucho del enfoque en las etapas iniciales del diseño estará en los conectores de tu backplane. La selección de conectores, incluyendo los conectores de backplane, es tanto un arte como una ciencia, y estos conectores serán determinantes principales de la integridad de la señal. Las simulaciones son bastante importantes para asegurar que las señales no se degraden excesivamente en las interfaces conector-pista.

La distribución de los pines en tus conectores también es crítica, ya que facilitará el enrutamiento en cada capa. En particular, tu distribución de pines debería lograr dos objetivos:

• Debería estar diseñada para prevenir que las señales en una capa dada se crucen entre sí mientras se enrutan hacia todos los conectores en el bus del backplane. Si se hace correctamente, probablemente puedas eliminar algunas capas de señal.
• Idealmente, el enrutamiento debería ser fluido a través de todo el backplane (todo mayormente horizontal) a medida que se alcanzan los pines en cada conector.

Las cosas se hacen mejor de manera secuencial, similar al enrutamiento de pares diferenciales que he mostrado a continuación. Observa cómo los pines en cada conector están escalonados en cada columna, lo que permite que las trazas en el par diferencial pasen entre filas de pines de conector. Si todos los pines estuvieran en la misma columna, necesitaría 2 capas para hacer el enrutamiento mostrado a continuación en lugar de 1.

Dados todos estos requisitos de diseño, me resultó difícil equilibrarlos todos en mi primer backplane, y ni siquiera hicimos la disposición inicial de componentes. No tendrás mucha libertad en términos de disposición de componentes, pero puedes mantener las cosas organizadas mientras enrutas señales a través del backplane siempre que tu disposición de pines esté organizada y sea consistente en tus conectores. Algunos otros consejos para ayudarte a tener éxito incluyen:

• Minimizar las transiciones de vías en señales de alta velocidad. Cada vía añade pérdida de inserción a un interconector, y la pérdida de inserción necesita ser minimizada tanto como sea posible.
• Perforación posterior en transiciones de vías de alta velocidad. La perforación posterior añade costo, pero minimiza las discontinuidades de tope en líneas de transmisión largas.
• No tengas miedo del relleno de tierra.El uso de un plano de masa ayuda a la aislación entre diferentes grupos de pistas de alta velocidad, asegura perfiles de impedancia consistentes y ayuda a proporcionar suficiente conductor para corrientes de retorno altas.
• Haz que todas las capas de señal no utilizadas se conviertan en capas de plano. Si estás proporcionando energía a través de tu backplane, no temas agregar una capa de plano de potencia extra en el apilado de capas. Dividir la corriente entre múltiples planos de potencia ayuda a mantener tu red de distribución de potencia (PDN) fresca.

El diseño de backplanes no es para los débiles de corazón, ya que requiere de múltiples especialidades para tener éxito. Sin embargo, si cuentas con el equipo de diseñadores adecuado y un conjunto completo de herramientas de diseño, puedes superar la mayoría de los aspectos del proceso de diseño en una única plataforma. Altium Designer es el único programa que te ofrece un conjunto completo de herramientas de diseño para el layout, enrutamiento, integridad de señal, fabricación y mucho más. Serás capaz de completar tu diseño de backplane y prepararlo para la producción en un único programa.

Una vez que estés listo para enviar un diseño de backplane completado para su fabricación, puedes compartir tus datos de diseño en la plataforma Altium 365. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción de las características más en profundidad o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.