Simulazione dell'Impedenza del Piano di Terra Inciso nei PCB Flessibili

I PCB flessibili e i PCB rigido-flessibili possono entrambi trasportare segnali ad alta velocità, alcuni dei quali richiedono un'impedenza controllata. Implementare l'impedenza controllata su un PCB flessibile non è un compito molto facile per diverse ragioni. Se si sceglie la strada dell'impedenza controllata, dove il produttore testa l'impedenza e apporta modifiche allo stack up, raramente si ha la libertà di farlo poiché potrebbe forzare lo spessore del layer flessibile ad essere troppo spesso o troppo sottile. Se si opta per la strada del dielettrico controllato, la struttura del piano di massa invalida i modelli tipici per l'impedenza, quindi è molto difficile determinare l'impedenza appropriata.

Sfortunatamente, ciò significa che è necessario utilizzare alcune simulazioni o alcuni dati di test per determinare l'impedenza di tracce singole e coppie differenziali nei PCB flessibili. Non tutti i produttori possono fornire questi dati, o se li hanno, potrebbero non renderli pubblicamente disponibili. Quando si tratta di coppie differenziali, anche la distanza sarà un fattore critico che determina l'impedenza lungo l'interconnessione.

In questo articolo, che si ispira al lavoro di Lukas Henkel, presenterò un breve insieme di risultati di simulazione e flusso di lavoro che possono essere utilizzati per la determinazione dell'impedenza delle tracce su piani di massa traforati.

Motivazione per la Simulazione dell'Impedenza del Piano di Massa Traforato

Di recente, abbiamo completato un'intervista di follow-up con Lukas Henkel, dove abbiamo discusso alcuni dei suoi progressi sul Progetto Laptop Open-Source. Questo progetto prevedeva la creazione della scheda madre così come dei periferici per un laptop open-source, e uno dei periferici è una webcam, che si trova nella parte superiore del display. Guarda il nostro clip dell'intervista per saperne di più, o guarda l'intero episodio su YouTube.

Nel riferirci alla parte della webcam del design in questo clip, la webcam si collega alla scheda madre utilizzando un PCB flessibile. Per trasmettere i dati dalla camera al CPU, è necessario un collegamento seriale ad alta velocità. Ciò richiede l'uso di MIPI CSI-2, un'interfaccia differenziale ad alta velocità che invia dati seriali su quattro corsie parallele con un orologio differenziale sincrono con la sorgente. In totale, ciò fornisce fino a cinque coppie differenziali che corrono tra la camera e la scheda madre.

Il routing CSI-2 su 4 corsie dati e una corsia orologio sincrono con la sorgente. Entrambe le tracce in ogni coppia differenziale richiedono un'intonazione della lunghezza, e le coppie differenziali devono essere abbinate all'interno di questo gruppo.

Essendo un'interfaccia differenziale, si prega di utilizzare coppie differenziali che richiedono un controllo dell'impedenza a 100 ohm. Su un PCB rigido, ciò sarebbe abbastanza semplice. Utilizzare il gestore dello stack dei layer e Altium Designer o un altro simulatore per ottenere rapidamente l'impedenza senza perdite basata sulla sezione trasversale dello stack-up. Su un PCB flessibile, questo non è così semplice perché i PCB flessibili utilizzano un piano di massa traforato. Ora, diamo un'occhiata breve alla teoria che mostra perché ciò accade. Poi, possiamo mostrare alcuni risultati di simulazione per il nastro flessibile di Lukas, che dettaglieranno l'impedenza differenziale e i parametri S differenziali.

Il Fattore di Riempimento È un Parametro Critico per Determinare l'Impedenza

Quando si valuta l'impedenza di un collegamento in rame su un PCB flessibile con un piano di massa traforato, uno degli strumenti che possiamo utilizzare per comprendere cosa sta succedendo nel collegamento è l'impedenza in ingresso. Se si osserva la struttura del piano di massa traforato, il traforo ha alcune aree dove il rame è stato rimosso, tipicamente di forma quadrata o diamantata, e quell'area può essere definita come una frazione degli elementi di area ripetuti che compongono il piano di massa traforato. Ho chiamato questa frazione il "fattore di riempimento", che può essere definito come mostrato nell'immagine qui sotto.

Ora facciamo passare una traccia su diverse regioni della struttura sopra descritta; alcune parti della traccia saranno sopra rame solido, mentre altre parti della traccia saranno realizzate su una regione da cui il rame è stato rimosso. La presenza variabile di terra vicino alla traccia influenzerà l'impedenza e quindi l'integrità del segnale su questi percorsi. Lungo la lunghezza della traccia, ci aspetteremmo variazioni di impedenza alta e bassa, che saranno una funzione della distanza traccia-rame.

Poiché abbiamo una variazione di impedenza lungo la lunghezza del percorso, la struttura è una linea di trasmissione a cascata periodica. Non ho visto una buona risorsa nella letteratura di ricerca che descriva specificamente questo tipo di struttura, sebbene ne faccia riferimento in questo articolo. In ogni caso, esiste un'impedenza di ingresso in ogni sezione che può essere scritta in termini della successiva sezione della linea di trasmissione:

In termini più semplici, se conosci l'impedenza caratteristica di ciascuna delle sezioni della linea di trasmissione, potresti ottenere una stima ragionevole dei parametri S attraverso un calcolo induttivo, e sarebbe abbastanza semplice da fare in uno script Python o in Excel. Ad esempio, se conoscessi l'impedenza sopra il rame e nella regione a maglia, è concepibile che potresti usare la formula sopra iterativamente per stimare la perdita di ritorno (S11) al porto di ingresso.

Ritengo che questo metodo sia più accurato del tentativo di assumere un piano solido e poi applicare qualche fattore di correzione, ma penso che questo sia un argomento per ulteriori studi. In ogni caso, una volta che hai una stima dell'impedenza single-ended o differenziale su un piano di massa a maglia, alla fine dovrai qualificarla, e ciò richiede una simulazione 3D.

Simulazioni 3D di Piani di Massa a Maglia

Per qualificare più completamente le prestazioni degli interconnettori su un piano di massa a maglia, useremo il nastro flessibile mostrato di seguito come fornito da Lukas Henkel per il laptop open source. L'immagine qui sotto mostra una vista 3D del nastro flessibile e del routing delle tracce in due regioni, così come i gruppi di tracce in ogni regione.

Strato 1:

Strato 2:

Prima di tutto, per ottenere alcuni valori dell'impedenza caratteristica in ogni sezione, si utilizza l'analizzatore di conformità in Simbeor per ottenere le impedenze basate sulle sezioni trasversali delle tracce. Sono state esaminate e confrontate due regioni. Nella regione dritta che proviene direttamente dal connettore della fotocamera, l'impedenza delle linee monoterminale sembra mostrare una variazione molto minore; l'impedenza varia da 30-40 Ohm lungo i percorsi rettilinei. Nella regione curva del cavo flessibile, la variazione dell'impedenza è molto più grande con un'impedenza caratteristica che varia da 30-60 Ohm.

La larga larghezza della linea (W/H = 4) crea regioni di impedenza in modalità dispari molto bassa sul rame, mentre le regioni tra il rame sono molto più vicine al target di 50 Ohm. La variazione esatta sembra essere approssimativamente di 28-62 Ohm, o una media di 45 Ohm di impedenza in modalità dispari. L'impedenza differenziale risulta essere approssimativamente di 78 Ohm con qualche variazione.

Regione dritta:

Regione curva:

Basandoci su ciò che vediamo già, ci sono alcune grandi deviazioni di impedenza lungo il collegamento, anche se sono piccole nella loro lunghezza, quindi ci aspetteremmo una certa conversione di modalità lungo questo collegamento. La matrice completa dei parametri S per questo collegamento ci dirà le perdite e la conversione di modalità, e i risultati sono mostrati nella sezione successiva.

Risultati dei Parametri S CSI-2

Ora vediamo i parametri S per il collegamento CSI-2 poiché è controllato in impedenza. Basandoci solo sui valori di impedenza della sezione trasversale mostrati sopra, diventa abbastanza incerto quale sarà effettivamente la perdita di ritorno lungo l'interconnessione. Pertanto, eseguiamo una simulazione dei parametri S da questa geometria per determinare la perdita di ritorno fino a frequenze molto alte. L'immagine qui sotto mostra i risultati per la corsia CSI-2 evidenziata sopra.

La perdita di ritorno è accettabile entro i limiti richiesti per un collegamento CSI-2; la perdita di inserzione è piuttosto bassa all'interno della larghezza di banda del canale grazie alla larghezza delle tracce, ma diminuisce bruscamente oltre il limite della banda. Un problema qui è conversione di modalità, in particolare SCD21 (grafico in basso a destra), che ci aspetteremmo data la natura discontinua del piano di massa tratteggiato. Questo collegamento presenta molta conversione di modalità che dovrebbe essere controllata rispetto ai limiti MIPI C-PHY.

Se si desidera migliorare i risultati di perdita di ritorno e perdita di inserzione, sarebbe necessario regolare il fattore di riempimento e lo spazio per il collegamento differenziale. Quindi, sarebbe necessario simulare nuovamente e controllare che i parametri S siano migliorati. Vedere la sezione del flusso di lavoro qui sotto per maggiori dettagli.

Riassunto dei Risultati e del Flusso di Lavoro

Per i nostri scopi, dove stiamo semplicemente esaminando il routing delle tracce sul PCB, questo risultato è accettabile. In realtà, i parametri S per l'interconnessione completa dipenderanno dalla disadattanza di impedenza alle interfacce dei cavi che arrivano ai connettori. Per espandere la simulazione oltre quanto mostrato sopra, dovremmo fare quanto segue:

1. Esportare un file Touchstone dei parametri S per questo collegamento.
2. Prendere i file Touchstone per i connettori ad ogni estremità.
3. Prendere un file Touchstone per il collegamento che porta al chip della CPU e della fotocamera.
4. Aggiungere tutti questi in un modello di rete lineare.
5. Determinare i parametri S per l'intera rete in cascata.
6. A seconda di questi risultati, potrebbe essere necessario regolare il fattore di riempimento per il terreno incrociato sotto la coppia differenziale CSI-2.
7. Iterare e ripetere.

Il processo sopra descritto illustra un flusso di lavoro da implementare per determinare l'impedenza di traccia per una corsia CSI-2. A causa della mancanza di risultati analitici accurati che potrebbero essere utilizzati per la previsione dell'impedenza di traccia su un piano di massa incrociato, è necessario iniziare con una stima basata sul fattore di riempimento e poi iterare attraverso alcune variazioni per ottenere un'impedenza di traccia appropriata. Propongo il seguente flusso di lavoro:

1. Iniziare con un design di incisione proposto e calcolare il fattore di riempimento.
2. Calcolare due ulteriori fattori di riempimento da utilizzare come variazioni.
3. Progettare una piccola scheda di test con queste variazioni e simulare gli S-parametri in ciascuna.
4. Esaminare i risultati degli S-parametri e scegliere il miglior fattore di riempimento.
5. Per le coppie differenziali, esaminare il risultato e determinare se la distanza dovrebbe essere regolata per aumentare o diminuire l'impedenza differenziale.
6. Simulare il collegamento differenziale modificato e controllare gli S-parametri.
7. Iterare e ripetere.

Con queste tre simulazioni, e possibilmente una quarta regolando la distanza tra le coppie differenziali, potresti arrivare a un design di interconnessione utilizzabile in sole quattro simulazioni con circa 8 ore di tempo di simulazione. Questo è abbastanza veloce da completare in un singolo giorno.

Per fornire maggiori informazioni sulle prestazioni dei collegamenti single-ended e differenziali su piani di massa traforati in PCB flessibili, ho in programma di fare uno studio di geometria più ampio. Questo comporterà la variazione di molti dei parametri del fattore di riempimento e la determinazione di quale parametro geometrico sia il miglior stimatore per l'impedenza single-ended e differenziale. Assicurati di seguire questa serie di blog per ulteriori aggiornamenti.

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