Simulation de l'impédance d'un plan de masse hachuré dans les PCB flexibles

Les PCB flexibles et les PCB rigides flexibles peuvent tous deux transporter des signaux à haute vitesse, certains nécessitant une impédance contrôlée. Mettre en œuvre une impédance contrôlée sur un PCB flexible n'est pas une tâche très facile pour plusieurs raisons. Si vous choisissez la voie de l'impédance contrôlée, où le fabricant teste l'impédance et ajuste l'empilement, vous avez rarement la liberté de le faire car cela peut forcer l'épaisseur de la couche flexible à être trop épaisse ou trop mince. Si vous optez pour la voie du diélectrique contrôlé, la structure du plan de masse invalide les modèles typiques pour l'impédance, il est donc très difficile de déterminer l'impédance appropriée.

Malheureusement, cela signifie que vous devez utiliser des simulations ou des données de test pour déterminer l'impédance des traces simples et des paires différentielles dans les PCB flexibles. Tous les fabricants ne peuvent pas fournir ces données, ou s'ils ont ces données, ils peuvent ne pas les rendre publiques. En ce qui concerne les paires différentielles, l'espacement sera également un facteur critique qui détermine l'impédance le long de l'interconnexion.

Dans cet article, inspiré par le travail de Lukas Henkel, je présenterai un bref ensemble de résultats de simulation et de flux de travail qui peuvent être utilisés pour la détermination de l'impédance des traces sur des plans de masse hachurés.

Motivation pour la simulation d'impédance de plan de masse hachuré

Nous avons récemment réalisé une interview de suivi avec Lukas Henkel, où nous avons discuté de certains de ses progrès sur le Projet de Laptop Open-Source. Ce projet impliquait la création de la carte mère ainsi que des périphériques pour un ordinateur portable open-source, et l'un des périphériques est une webcam, qui se trouve dans la partie supérieure de l'écran. Regardez notre extrait d'interview pour en savoir plus, ou regardez l'épisode complet sur YouTube.

En référence à la partie webcam du design dans cet extrait, la webcam se connecte à la carte mère à l'aide d'un PCB flexible. Pour transférer les données de la caméra au CPU, un lien série à haute vitesse est nécessaire. Cela nécessite l'utilisation de MIPI CSI-2, une interface différentielle à haute vitesse qui envoie des données sérielles sur quatre voies parallèles avec une horloge différentielle synchrone à la source. Au total, cela donne jusqu'à cinq paires différentielles fonctionnant entre la caméra et la carte mère.

Le routage CSI-2 sur 4 voies de données et une voie d'horloge synchrone à la source. Les traces de chaque paire différentielle nécessitent un ajustement de longueur, et les paires différentielles doivent être appariées au sein de ce groupe.

Étant donné qu'il s'agit d'une interface différentielle, veuillez utiliser des paires différentielles nécessitant un contrôle d'impédance à 100 ohms. Sur un PCB rigide, cela serait assez facile. Utilisez le gestionnaire de pile de couches et Altium Designer ou un autre simulateur pour obtenir rapidement l'impédance sans pertes basée sur la section transversale de l'empilement. Sur un PCB flexible, cela n'est pas si facile car les PCB flexibles utilisent un plan de masse hachuré. Maintenant, examinons brièvement la théorie montrant pourquoi c'est le cas. Ensuite, nous pouvons montrer certains résultats de simulation pour le ruban flexible de Lukas, qui détailleront l'impédance différentielle et les paramètres S différentiels.

Le facteur de remplissage est un paramètre critique déterminant l'impédance

Lors de l'évaluation de l'impédance d'une interconnexion en cuivre sur un PCB flexible avec un plan de masse hachuré, l'un des outils que nous pouvons utiliser pour comprendre ce qui se passe dans l'interconnexion est l'impédance d'entrée. Si vous regardez la structure du plan de masse hachuré, la hachure a des zones où le cuivre est retiré, généralement de forme carrée ou diamant, et cette zone peut être définie comme une fraction des éléments de zone répétés qui composent le plan de masse hachuré. J'ai appelé cette fraction le "facteur de remplissage", qui peut être défini comme montré dans l'image ci-dessous.

Maintenant, faisons passer une trace sur différentes régions de la structure ci-dessus ; certaines portions de la trace seront sur du cuivre plein, tandis que d'autres portions de la trace seront routées sur une région où le cuivre a été retiré. La présence variable de masse près de la trace aura un impact sur l'impédance et donc sur l'intégrité du signal sur ces routes. Le long de la trace, nous nous attendrions à des variations d'impédance élevée et faible, qui seront fonction de la distance entre la trace et le cuivre.

Comme nous avons une variation d'impédance le long de la route, la structure est une ligne de transmission en cascade périodique. Je n'ai pas vu de bonne ressource dans la littérature de recherche décrivant spécifiquement ce type de structure, bien que j'y fasse référence dans cet article. Dans tous les cas, il y a une impédance d'entrée dans chaque section qui peut être écrite en termes de la section suivante de la ligne de transmission:

En termes plus simples, si vous connaissez l'impédance caractéristique de chacune des sections de la ligne de transmission, vous pourriez obtenir une estimation raisonnable des paramètres S via un calcul inductif, et cela serait assez simple à réaliser dans un script Python ou dans Excel. Par exemple, si vous connaissiez l'impédance au-dessus du cuivre et dans la région de hachurage, il est concevable que vous pourriez utiliser l'équation ci-dessus de manière itérative pour estimer la perte de retour (S11) au port d'entrée.

Je soutiendrais que cette méthode est plus précise que d'essayer de supposer un plan solide puis d'appliquer un facteur de correction, mais je pense que c'est un sujet pour des études ultérieures. Dans tous les cas, une fois que vous avez une estimation de l'impédance simple ou différentielle sur un plan de masse hachuré, vous devrez finalement qualifier cela, et cela nécessite une simulation 3D.

Simulations 3D de Plans de Masse Hachurés

Pour qualifier plus complètement la performance des interconnexions sur un plan de masse hachuré, nous utiliserons le ruban flexible montré ci-dessous tel que fourni par Lukas Henkel pour l'ordinateur portable open source. L'image ci-dessous montre une vue 3D du ruban flexible et du routage des pistes dans deux régions, ainsi que les groupes de pistes dans chaque région.

Couche 1 :

Couche 2 :

Tout d'abord, pour obtenir certaines valeurs de l'impédance caractéristique dans chaque section, l'analyseur de conformité dans Simbeor est utilisé pour obtenir des impédances basées sur les sections transversales des pistes. Deux régions ont été examinées et comparées. Dans la région droite venant directement du connecteur de la caméra, l'impédance des lignes à extrémité unique semble présenter beaucoup moins de variation ; l'impédance varie de 30 à 40 Ohms le long des parcours droits. Dans la région courbée du câble flexible, la variation de l'impédance est beaucoup plus grande avec une impédance caractéristique allant de 30 à 60 Ohms.

La largeur importante de la ligne (W/H = 4) crée des régions d'impédance en mode impair très faible sur le cuivre, tandis que les régions entre le cuivre sont beaucoup plus proches d'un objectif de 50 Ohms. La variation exacte semble être d'environ 28 à 62 Ohms, soit une moyenne de 45 Ohms d'impédance en mode impair. L'impédance différentielle atteint environ 78 Ohms avec certaines variations.

Région droite :

Région courbée :

D'après ce que nous voyons déjà, il y a quelques grandes déviations d'impédance le long du lien, bien qu'elles soient petites en longueur, nous nous attendrions donc à une certaine conversion de mode le long de ce lien. La matrice complète des paramètres S pour ce lien nous indiquera les pertes et la conversion de mode, et les résultats sont présentés dans la section suivante.

Résultats des Paramètres S CSI-2

Examinons maintenant les paramètres S pour le lien CSI-2 puisqu'il est contrôlé en impédance. Se basant uniquement sur les valeurs d'impédance de la section transversale montrées ci-dessus, il devient assez flou de savoir quelle sera réellement la perte de retour le long de l'interconnexion. Par conséquent, nous effectuons une simulation des paramètres S à partir de cette géométrie pour déterminer la perte de retour jusqu'à des fréquences très élevées. L'image ci-dessous montre les résultats pour la voie CSI-2 mise en évidence ci-dessus.

La perte de retour est acceptable dans les limites requises pour un lien CSI-2 ; la perte d'insertion est assez faible dans la bande passante du canal grâce à la largeur des pistes, mais diminue fortement au-delà de la limite de bande. Un problème ici est conversion de mode, spécifiquement SCD21 (graphique en bas à droite), ce que nous attendrions étant donné la nature discontinue du plan de masse hachuré. Ce lien présente beaucoup de conversion de mode qui devrait être vérifiée par rapport aux limites MIPI C-PHY.

Si vous vouliez améliorer les résultats de perte de retour et de perte d'insertion, vous devriez ajuster le facteur de remplissage et l'espacement pour le lien différentiel. Vous devriez ensuite simuler à nouveau et vérifier que les paramètres S se sont améliorés. Voir la section de flux de travail ci-dessous pour plus de détails.

Résumé des Résultats et du Flux de Travail

Pour nos besoins, où nous regardons simplement le routage des traces sur le PCB, ce résultat est acceptable. En réalité, les paramètres S pour l'interconnexion complète dépendront du désaccord d'impédance aux interfaces de câble arrivant aux connecteurs. Pour étendre la simulation au-delà de ce qui est montré ci-dessus, nous devrions faire ce qui suit :

1. Exporter un fichier Touchstone des paramètres S pour ce lien.
2. Récupérer les fichiers Touchstone pour les connecteurs à chaque extrémité.
3. Récupérer un fichier Touchstone pour le lien menant au CPU et à la puce de la caméra.
4. Ajouter tout cela dans un modèle de réseau linéaire.
5. Déterminer les paramètres S pour l'ensemble du réseau en cascade.
6. Selon ces résultats, il peut être nécessaire d'ajuster le facteur de remplissage pour le plan de masse hachuré sous la paire différentielle CSI-2.
7. Itérer et répéter.

Le processus ci-dessus illustre un flux de travail à mettre en œuvre pour déterminer l'impédance de trace pour une voie CSI-2. En raison de l'absence de résultats analytiques précis qui pourraient être utilisés pour la prédiction de l'impédance de trace sur un plan de masse hachuré, il est nécessaire de commencer par une estimation basée sur le facteur de remplissage, puis d'itérer à travers quelques variations pour obtenir une impédance de trace appropriée. Je propose le flux de travail suivant :

1. Commencer avec un design de hachurage proposé et calculer le facteur de remplissage.
2. Calculer deux facteurs de remplissage supplémentaires à utiliser comme variations.
3. Concevoir une petite carte de test avec ces variations et simuler les paramètres S dans chacune.
4. Examiner les résultats des paramètres S et choisir le meilleur facteur de remplissage.
5. Pour les paires différentielles, examiner le résultat et déterminer si l'espacement doit être ajusté pour augmenter ou diminuer l'impédance différentielle.
6. Simuler le lien différentiel modifié et vérifier les paramètres S.
7. Itérer et répéter.

Avec ces trois simulations, et éventuellement une quatrième en ajustant l'espacement des paires différentielles, vous pourriez aboutir à un design d'interconnexion utilisable en seulement quatre simulations avec environ 8 heures de temps de simulation. C'est suffisamment rapide pour être complété en une seule journée.

Pour fournir plus d'aperçus sur la performance des liaisons à terminaison unique et différentielle sur des plans de masse hachurés dans les PCB flexibles, je prévois de réaliser une étude de géométrie plus large. Cela impliquera de varier de nombreux paramètres de facteur de remplissage et de déterminer quel paramètre géométrique est l'estimateur le plus efficace pour l'impédance à terminaison unique et différentielle. Assurez-vous de suivre cette série de blogs pour plus de mises à jour.

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