Conception de Backplane Haute Vitesse et Astuces pour le Layout de PCB

Si vous avez besoin de connecter plusieurs cartes dans un système plus large et de fournir des interconnexions entre elles, vous utiliserez probablement un fond de panier pour organiser ces cartes. Les fonds de panier sont des cartes avancées qui empruntent certains éléments à la conception haute vitesse, à la conception mécanique, à la conception haute tension/haute courant, et même à la conception RF. Ces cartes sont souvent utilisées dans des systèmes de défense critiques, des systèmes de télécommunications et des centres de données. Elles suivent leur propre ensemble de normes qui vont au-delà des exigences de fiabilité dans l'IPC.

Bien que les fonds de panier suivent des normes particulières non présentes dans de nombreux autres PCB, les concepts impliqués dans la mise en page et le routage sont familiers à de nombreux concepteurs de PCB. Un grand nombre de connecteurs et de réseaux, et l'espace restreint sur un fond de panier typique, peuvent sembler difficiles au premier abord. Cependant, quelques stratégies simples peuvent vous aider à rester organisé et à compléter une conception de fond de panier tout en assurant une haute fiabilité. Mon espoir est que vous apprendrez quelques stratégies pour aborder votre prochaine conception de fond de panier en termes de routage et de mise en page pour équilibrer fiabilité et intégrité du signal. Sans plus attendre, plongeons dans ce riche domaine de la conception de PCB.

Commencer avec la Conception de Fond de Panier

Il existe plusieurs approches pour commencer avec la conception, l'agencement et le routage des cartes dorsales. Ces conceptions peuvent être difficiles car vous pourriez vous retrouver à gérer des milliers de connexions sur une grande carte avec un espace limité et un nombre de couches restreint. De plus, les cartes dorsales peuvent être impliquées dans l'alimentation électrique des cartes filles, et chaque carte fille pourrait tirer plusieurs ampères de courant à travers une variété de dispositifs à haute vitesse. Cela signifie que votre carte dorsale pourrait devoir supporter ~100 A de courant.

Étant donné que la fonction principale d'une carte dorsale est de fournir des connexions entre plusieurs cartes dans un système plus large, tout tourne autour des connecteurs que vous utiliserez, et ces connecteurs sont le point de départ de votre conception. Voici quelques-unes des tâches de base impliquées dans la conception de cartes dorsales :

1. Brochage : La première étape consiste à déterminer le brochage sur vos connecteurs pour supporter la topologie de routage requise. Je développerai davantage ce point ci-dessous.
2. Exigences mécaniques : En plus du placement approprié des connecteurs des cartes filles, des broches de guidage sont utilisées pour assurer un accouplement correct et une intégrité structurelle. L'image en bas de cette liste montre une broche de guidage typique utilisée avec les connecteurs de cartes dorsales.
3. Sélection des matériaux : Pour les backplanes à haute vitesse, ceci est un point critique dans le processus de conception. Comme les backplanes peuvent être assez grands, tout signal devant traverser l'ensemble du plan pourrait subir une perte significative. Des stratifiés à faible perte avec un tissage de verre serré sont nécessaires pour aider à minimiser la perte d'insertion sur de longues interconnexions. Certains exemples utiles pour les backplanes multi-gig sont les stratifiés Rogers et Megtron.
4. Stratégie d'alimentation et de mise à la terre : Pour les backplanes devant fournir une haute puissance à un grand nombre de cartes filles, vous aurez besoin d'une stratégie d'alimentation et de mise à la terre qui aide à maintenir la température basse. L'arrangement des plans de masse/d'alimentation sur différentes couches du plan doit également fournir une isolation pour les signaux à haute vitesse qui sont routés autour de la carte.
5. Nombre de couches : Le nombre de couches dont vous avez besoin dans votre backplane dépendra du nombre de couches du plan ainsi que du nombre de couches de signal dont vous aurez besoin. Un backplane pourrait avoir jusqu'à 24 couches et être de plusieurs mm d'épaisseur pour répondre à toutes les exigences de conception.

Les points ci-dessus sont les mêmes que ceux que vous devriez considérer dans tout autre design à haute vitesse. Cependant, les choses deviennent un peu différentes lorsque vous travaillez sur un fond de panier, car le brochage de votre connecteur va contraindre le routage. Cela représente une grande partie de la conception de fond de panier et devrait être planifié avec soin.

Il s'agit avant tout des connecteurs, du brochage et du routage

Une grande partie de l'attention dans les premières étapes de conception sera portée sur les connecteurs de votre fond de panier. La sélection des connecteurs, y compris pour les connecteurs de fond de panier, est autant un art qu'une science, et ces connecteurs seront des déterminants majeurs de l'intégrité du signal. Les simulations sont assez importantes pour s'assurer que les signaux ne se dégradent pas excessivement aux interfaces connecteur-piste.

Le brochage dans vos connecteurs est également critique car il facilitera le routage sur chaque couche. En particulier, votre brochage devrait accomplir deux objectifs :

• Il devrait être conçu pour éviter que les signaux d'une couche donnée se croisent alors qu'ils sont routés vers tous les connecteurs sur le bus du fond de panier. Si cela est bien fait, vous pourrez probablement éliminer quelques couches de signaux.
• Idéalement, le routage devrait être fluide sur l'ensemble du fond de panier (tout étant largement horizontal) à mesure que les broches de chaque connecteur sont atteintes.

Les choses sont mieux faites de manière séquentielle, à la manière du routage de paires différentielles que j'ai montré ci-dessous. Remarquez comment les broches de chaque connecteur sont décalées dans chaque colonne, ce qui permet aux traces de la paire différentielle de passer entre les rangées de broches du connecteur. Si toutes les broches étaient dans la même colonne, j'aurais besoin de 2 couches pour réaliser le routage montré ci-dessous au lieu d'1.

Compte tenu de toutes ces exigences de conception, j'ai trouvé difficile de les équilibrer toutes dans mon premier backplane, et nous n'avons même pas fait l'agencement initial des composants. Vous n'aurez pas beaucoup de liberté en termes d'agencement des composants, mais vous pouvez garder les choses organisées lorsque vous routez les signaux à travers le backplane tant que votre brochage est organisé et cohérent à travers vos connecteurs. Voici quelques autres conseils pour vous aider à réussir :

• Minimisez les transitions de vias sur les signaux à haute vitesse. Chaque via ajoute une perte d'insertion à une interconnexion, et la perte d'insertion doit être minimisée autant que possible.
• Percez en arrière les transitions de vias à haute vitesse. Le backdrilling ajoute un coût, mais il minimise les discontinuités de stub sur les longues lignes de transmission.
• N'ayez pas peur de l'ajout de plans de masse.L'utilisation d'un plan de masse favorise l'isolation entre différents groupes de pistes à haute vitesse, assure des profils d'impédance cohérents et aide à fournir suffisamment de conducteur pour les courants de retour élevés.
• Transformez toutes les couches de signaux inutilisées en couches de plan. Si vous alimentez en énergie via votre fond de panier, n'hésitez pas à ajouter un plan de puissance supplémentaire dans l'empilement des couches. Répartir le courant entre plusieurs plans de puissance aide à maintenir votre réseau de distribution d'énergie (PDN) au frais.

La conception de fond de panier n'est pas à prendre à la légère car elle nécessite plusieurs spécialités pour réussir. Cependant, si vous disposez de l'équipe de concepteurs adéquate et d'un ensemble complet d'outils de conception, vous pouvez gérer la plupart des aspects du processus de conception sur une seule plateforme. Altium Designer est le seul programme qui vous offre une suite complète d'outils de conception pour la mise en page, le routage, l'intégrité du signal, la fabrication, et bien plus encore. Vous serez capable de compléter votre conception de fond de panier et de la préparer pour la production dans un seul programme.

Une fois que vous êtes prêt à envoyer un design de fond de panier terminé pour la fabrication, vous pouvez partager vos données de conception sur la plateforme Altium 365. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus approfondie des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.