Directives pour l'agencement de PCB à haute vitesse : Conseils et stratégies de placement

Dans l'immobilier, le mot d'ordre est : « emplacement, emplacement, emplacement ». De manière intéressante, on peut dire la même chose de la disposition des PCB à haute vitesse. Bien que tous les aspects du processus de conception des PCB à haute vitesse soient importants, le placement des composants est particulièrement crucial pour assurer un routage facile, minimiser l'EMI et éventuellement éliminer le besoin de quelques couches supplémentaires. Les méthodes de placement des emplacements qui fonctionnent sans problème dans une conception de PCB standard peuvent ne pas satisfaire les exigences critiques de flux de signaux d'une conception à haute vitesse. Pour que la conception fonctionne, il s'agit vraiment de « emplacement, emplacement, emplacement ».

Voici quelques conseils et stratégies à considérer lors de la création de votre disposition de PCB à haute vitesse. Tout d'abord, nous examinerons quelques considérations de base sur le placement des composants pour les conceptions à haute vitesse, suivies des avantages de créer un plan d'implantation avant de placer les composants sur la carte. En dernier lieu, mais certainement pas des moindres en importance, nous discuterons des résistances de terminaison et de l'endroit où elles doivent être placées.

Placement des composants dans votre disposition de PCB à haute vitesse

Tout agencement de PCB est comme un puzzle difficile à résoudre, avec de nombreux objectifs concurrents. Souvent, vous avez certaines contraintes de facteur de forme et des objectifs de nombre de couches à atteindre, et vous devez vous assurer que les pièces sont placées de manière à satisfaire ces contraintes et bien d'autres.

Les composants dans un agencement de PCB à haute vitesse doivent généralement être arrangés de la manière suivante :

1. Regroupés par bloc de circuit : Tout d'abord, regroupez les composants qui effectuent des tâches spécifiques dans le système ensemble. Par exemple, tous les composants qui jouent un rôle dans la régulation de puissance doivent être regroupés ensemble.
2. Regroupés autour de grands processeurs : Ces composants ont tendance à avoir un nombre élevé d'E/S et vont interfacer directement avec vos blocs de circuits regroupés. Essayez d'arranger les blocs de circuits de premier niveau autour de votre processeur central, puis essayez d'arranger les blocs en aval autour de ceux-ci.
3. Regroupés par accès aux canaux de routage : Si vous avez un ensemble de composants qui doivent accéder à une interface commune sur un autre composant, essayez d'arranger ces composants de sorte que leurs broches se font face. Cela ne sera pas toujours possible, mais si vous réussissez, vous n'aurez pas besoin de router à travers des couches internes ou dans de longs chemins autour d'autres composants.

Dans l'image ci-dessous, vous verrez un grand MCU dans la zone la plus à droite de la mise en page, et il y a d'autres composants regroupés autour de lui avec leurs broches orientées vers le MCU. Plus à gauche, nous pouvons voir qu'il y a des composants secondaires comme des connecteurs, des LED et quelques passifs. Remarquez qu'ils sont à peu près alignés pour faire face à un côté du MCU. Cela permet de réaliser certaines connexions directement depuis le MCU vers ces régions de la carte sur le côté gauche de la carte.

 
Exemple de mise en page de PCB à haute vitesse

Lors de la planification de l'emplacement des blocs fonctionnels de circuit, gardez également à l'esprit les besoins en plans d'alimentation et de masse. L'utilisation de plans d'alimentation continus est généralement préférée, mais dans le cas où les besoins de la conception nécessitent un plan d'alimentation divisé pour plusieurs tensions, faites preuve de prudence lors du placement des composants connectés à travers la division. Les lignes de transmission à haute vitesse ne doivent pas traverser les divisions dans les plans d'alimentation car cela romprait le chemin de retour pour ces signaux. Évitez également de placer d'autres composants qui ne font pas partie d'un circuit entre les composants de ce circuit. Cela affectera également le chemin de retour pour ce circuit.

Examinons un peu plus en détail le placement des pièces pour différents blocs de composants, connecteurs et autres circuits.

Préparation au placement des emplacements par l'aménagement de votre plan

Créer un plan d'aménagement pour le placement de vos emplacements est une manière efficace de préparer une disposition de PCB à haute vitesse. En planifiant à l'avance, vous pouvez tenir compte des groupes de composants mentionnés ci-dessus, plutôt que d'être surpris lorsqu'ils sont placés à la toute fin de la conception. 

Blocs Fonctionnels

Les blocs fonctionnels de circuits tels que l'alimentation, RF, numérique, analogique, etc., doivent être organisés et placés en groupes afin de minimiser le croisement des signaux. Un plan d'aménagement préalable vous permettra de voir quel est le flux de signal entre les blocs fonctionnels et comment mieux planifier cela. Par exemple, regroupez autant que possible votre analogique basse fréquence afin que les signaux à haute fréquence ou à grande vitesse n'aient pas à traverser des zones sensibles de la circuitrie analogique.

EMI et Connecteurs

Vous devriez éviter de placer des dispositifs à haute vitesse sensibles près du bord de la carte. Cela est dû au fait que le bord de la carte peut agir comme une cavité ouverte qui permet à la radiation électromagnétique de s'échapper du bord de la carte, signifiant qu'il peut y avoir plus d'interférence électromagnétique (EMI) qui impacte d'autres composants dans votre système.

Tous les câbles dont votre carte a besoin pour les données ou l'alimentation devront atteindre un connecteur sur votre carte, et ceux-ci peuvent rayonner de l'EMI. Par conséquent, il est généralement une bonne idée d'essayer de séparer vos connecteurs et composants à haute vitesse, blocs fonctionnels numériques à haute vitesse, et blocs analogiques à haute fréquence. La plupart des directives indiquent que vous devriez placer les connecteurs plus près des bords de la carte et les dispositifs à haute vitesse sensibles plus près du centre de la carte pour réduire l'EMI dans votre conception.

Connecteurs de bord à haute vitesse pour les cartes PCIe. 

Gestion de la chaleur

Les effets thermiques sont un autre aspect à considérer dans le placement des conceptions à haute vitesse. Cela est dû au fait que les directives de disposition à haute vitesse supposent que les dispositifs peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les composants standards. Pour garantir que le placement de vos composants chauds reste frais, planifiez votre placement de manière à ce que ces composants reçoivent un flux d'air non restreint. Par exemple, ne placez pas de composants plus hauts, comme des connecteurs, dans la direction du flux d'air vers un BGA chaud.

Terminaison et Réseaux d'Adaptation d'Impédance

La stratégie de placement finale et la plus spécifique consiste à considérer l'emplacement de vos résistances de terminaison. Les conceptions de PCB à haute vitesse peuvent nécessiter une terminaison appliquée à l'extrémité source ou à l'extrémité réceptrice d'une interconnexion, en fonction des impédances des ports des composants et de l'impédance que vous devez adapter. Ces résistances sont souvent traitées comme une réflexion tardive une fois que les principales parties du circuit ont déjà été placées. Étant donné que ces résistances font partie intégrante du circuit, leur placement est extrêmement important pour son fonctionnement correct.

Peu importe où vous souhaitez placer vos composants à haute vitesse, vous devrez faire de la place quelque part pour les résistances de terminaison requises. Alors, où un concepteur doit-il placer les résistances de terminaison, et quels effets cela aura-t-il sur le comportement du signal ? Tout d'abord, nous devons considérer si nous ajoutons des résistances de terminaison en série ou en parallèle.

Terminaison parallèle (Pull-up, Shunt ou Thévenin)

La terminaison parallèle est normalement utilisée pour shunter l'extrémité de charge d'une ligne de transmission à la terre lorsque le composant de charge a une haute impédance d'entrée. Parfois, une résistance de pull-up est utilisée pour ajuster le niveau du signal afin de l'adapter au récepteur. Les résistances de shunt et de pull-up sont parfois utilisées ensemble, appelées terminaison Thévenin, qui ajuste le niveau du signal au niveau du récepteur et définit l'impédance d'entrée de la charge pour correspondre à l'impédance de la ligne de transmission. Vérifiez les fiches techniques de vos composants pour voir quelle méthode de terminaison vous devriez utiliser dans vos conceptions.

Ce schéma place un côté d'une résistance de terminaison à l'extrémité du circuit la plus proche du récepteur, tandis que l'autre côté est relié au plan d'alimentation ou de masse. Plus la longueur de la trace du broche de charge à la résistance est grande, plus le circuit est sujet à la réflexion du signal entraînant une dégradation du signal. C'est pourquoi les résistances parallèles doivent être placées aussi près que possible de la broche de charge du récepteur, et elles doivent avoir une connexion immédiate de retour au plan d'alimentation/masse à travers une via.

Terminaison en Série

L'objectif de la terminaison en série est de régler l'impédance de sortie du pilote égale à votre impédance d'interconnexion. Dans ce schéma de terminaison, une résistance est placée immédiatement sur la broche de sortie du pilote. Comme la résistance est très proche de la broche de sortie du pilote, l'impédance d'entrée vue par le pilote sera approximativement égale à l'impédance d'entrée de la ligne de transmission.

Les composants à grand nombre de broches, tels que les boîtiers BGA, ne nécessiteront généralement pas de terminaison sur chaque broche de pilote. Certaines interfaces peuvent avoir une terminaison intégrée, donc une résistance de terminaison externe ne sera pas nécessaire. Pour les broches qui nécessitent une terminaison en série, il doit y avoir un peu d'espace disponible autour de l'extérieur du composant pour appliquer la terminaison. Cependant, placer plusieurs résistances de terminaison en série pour un dispositif à grande échelle prendra beaucoup d'espace sur la carte autour du dispositif. Cela nécessitera une planification préalable pour s'assurer qu'un espace adéquat est disponible sans avoir à défaire et remplacer des pistes dans votre agencement de PCB haute vitesse.

Peu importe le type de terminaison que vous devez appliquer, placez les résistances près des composants qu'elles terminent. Ne les placez pas au milieu d'une ligne de transmission. Apprenez-en plus sur ces méthodes de terminaison dans cet article.

Fan-in/Fanout

Le routage vers et depuis les composants est une partie importante de la disposition et du routage de PCB à haute vitesse. Des composants comme les quad packs sont faciles à router tant que les pistes sont de taille correcte. Idéalement, les pistes devraient être dimensionnées de manière à pouvoir se router vers les pads avec un rétrécissement minimal lorsqu'il y a une spécification d'impédance. Si l'interface a une exigence d'impédance, il est préférable d'essayer de concevoir l'empilement de sorte que la largeur de votre piste corresponde à la taille du pad sur les composants. Si cela ne peut pas être fait, pour des raisons de coût par exemple, cela nécessitera un rétrécissement ou un routage coplanaire avec la nappe de cuivre voisine. Le coplanaire est généralement peu pratique, donc il est préférable d'essayer d'atteindre directement la largeur cible.

Rétrécissement d'une piste large vers une broche étroite.

Nous préférons garder le rétrécissement court sur les bus à impédance contrôlée en raison de la nécessité de calculer une longueur critique. À mon avis, la meilleure pratique est simplement de concevoir l'empilement de manière à ce que les exigences de largeur de trace de 50 ohms correspondent déjà à la largeur de trace jusqu'à la taille du pad. Cela vous donne le meilleur résultat où le rétrécissement est complètement éliminé. Dans les bus où il n'y a pas de spécification d'impédance, ne vous en préoccupez pas à moins que le routage devienne très long ou que vous routiez sur un câble.

Et qu'en est-il des BGA ? Les BGA sont un type de boîtier de composant où le rétrécissement est parfois nécessaire sur les bus spécifiés par l'impédance afin de passer une trace entre les pads. Si vous concevez avec un BGA, alors vous poussez probablement déjà les limites de capacité de toute façon, même dans les boîtiers BGA avec un pas de 1 mm. Le pas crée une exigence de taille de pad, et cela crée une exigence de largeur de trace afin de maintenir les espacements.

Pour vous assurer que vous pouvez atteindre la trace avec une exigence sur les bus spécifiés par l'impédance, vous aurez très probablement besoin d'utiliser un matériau de stratifié plus mince. Les BGA avec des interfaces spécifiées par l'impédance poussent les épaisseurs diélectriques à diminuer lorsque le pas devient plus petit. Pour mieux comprendre cela, apprenez-en plus sur les évasements de BGA dans cet article.

Le floorplanning et d'autres stratégies dont nous avons parlé vous donneront un excellent départ lorsque vous créez votre agencement de PCB haute vitesse. Les meilleurs outils de conception de PCB haute vitesse peuvent vous aider avec le placement ainsi qu'avec de nombreux autres aspects de la conception. Un logiciel professionnel de conception de PCB, comme Altium Designer^®, dispose des outils adéquats pour le travail.

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