Consigli per la progettazione di backplane ad alta velocità e per il layout di PCB

Se hai bisogno di collegare più schede in un sistema più grande e fornire interconnessioni tra di loro, probabilmente utilizzerai un backplane per organizzare queste schede. I backplane sono schede avanzate che prendono in prestito alcuni elementi dal design ad alta velocità, dal design meccanico, dal design ad alta tensione/corrente e persino dal design RF. Queste schede sono spesso utilizzate in sistemi di difesa critici per la missione, sistemi di telecomunicazioni e centri dati. Portano con sé un proprio insieme di standard che vanno oltre i requisiti di affidabilità nell'IPC.

Sebbene i backplane seguano particolari standard non riscontrati in molte altre PCB, i concetti coinvolti nella disposizione e nel routing sono familiari a molti progettisti di PCB. Un gran numero di connettori e reti, e lo spazio ristretto su un tipico backplane, possono sembrare sfidanti all'inizio. Tuttavia, alcune strategie semplici possono aiutarti a rimanere organizzato e completare un progetto di backplane garantendo un'elevata affidabilità. La mia speranza è che imparerai alcune strategie per affrontare il tuo prossimo progetto di backplane in termini di routing e disposizione per bilanciare affidabilità e integrità del segnale. Senza ulteriori indugi, immergiamoci in questa ricca area del design delle PCB.

Iniziare con il Design del Backplane

Ci sono diversi approcci da considerare quando si inizia con il design, layout e routing del backplane. Questi progetti possono essere difficili perché potresti trovarti a gestire migliaia di connessioni su una grande scheda con spazio limitato e un numero ridotto di strati. Inoltre, i backplane potrebbero essere coinvolti nell'effettiva alimentazione delle schede figlie, e ogni scheda figlia potrebbe richiedere diversi Ampere di corrente attraverso una varietà di dispositivi ad alta velocità. Questo significa che il tuo backplane potrebbe dover supportare circa 100 A di corrente.

Dato che la funzione primaria di un backplane è fornire connessioni tra più schede in un sistema più grande, tutto ruota attorno ai connettori che utilizzerai, e questi connettori sono il punto di partenza del tuo design. Ecco alcune delle attività di base coinvolte nel design del backplane:

1. Pinout: Il primo passo è determinare il pinout sui tuoi connettori per supportare la topologia di routing richiesta. Approfondirò questo punto più avanti.
2. Requisiti meccanici: Oltre al corretto posizionamento dei connettori delle schede figlie, vengono utilizzati perni guida per garantire un accoppiamento corretto e l'integrità strutturale. L'immagine in fondo a questo elenco mostra un tipico perno guida utilizzato con i connettori del backplane.
3. Selezione dei materiali: Per i backplane ad alta velocità, questo è un punto critico nel processo di progettazione. Poiché i backplane possono essere piuttosto grandi, qualsiasi segnale che deve attraversare l'intero piano potrebbe subire una perdita significativa. Laminati a bassa perdita con tessitura del vetro stretta sono necessari per aiutare a minimizzare la perdita di inserzione su interconnessioni lunghe. Alcuni esempi utili per backplane multi-gig sono i laminati Rogers e Megtron.
4. Strategia di alimentazione e messa a terra: Per i backplane che devono trasportare alta potenza a un gran numero di schede figlie, avrai bisogno di una strategia di alimentazione e messa a terra che aiuti a mantenere bassa la temperatura. L'arrangiamento dei piani di terra/alimentazione su diversi strati del piano dovrebbe anche fornire isolamento per i segnali ad alta velocità che vengono instradati intorno alla scheda.
5. Conteggio degli strati: Il numero di strati di cui hai bisogno nel tuo backplane dipenderà dal conteggio degli strati del piano così come dal numero di strati di segnale di cui avrai bisogno. Un backplane potrebbe avere fino a 24 strati ed essere spesso diversi mm per soddisfare tutti i requisiti di progettazione.

I punti sopra sono gli stessi che dovresti considerare in qualsiasi altro progetto ad alta velocità. Tuttavia, le cose diventano un po' diverse quando lavori su un backplane poiché il layout dei pin del connettore limiterà il routing. Questa è una grande parte della progettazione del backplane e dovrebbe essere pianificata con attenzione.

È Tutto Una Questione di Connettori, Layout dei Pin e Routing

Molto dell'attenzione nelle fasi iniziali della progettazione sarà sui connettori nel tuo backplane. La selezione dei connettori, inclusi i connettori per backplane, è tanto un'arte quanto una scienza, e questi connettori saranno determinanti principali per l'integrità del segnale. Le simulazioni sono molto importanti per garantire che i segnali non si degradino eccessivamente alle interfacce connettore-traccia.

Il layout dei pin nei tuoi connettori è anche critico poiché aiuterà a facilitare il routing su ogni strato. In particolare, il tuo layout dei pin dovrebbe raggiungere due obiettivi:

• Dovrebbe essere progettato per prevenire che i segnali su uno strato dato si incrocino mentre vengono instradati verso tutti i connettori sul bus del backplane. Se fatto correttamente, potresti probabilmente eliminare alcuni strati di segnale.
• Ideale sarebbe che il routing fosse fluido su tutto il backplane (tutto sostanzialmente orizzontale) man mano che si raggiungono i pin su ogni connettore.

Le cose vanno fatte meglio in modo sequenziale, simile al routing di coppie differenziali che ho mostrato qui sotto. Nota come i pin di ogni connettore siano sfalsati in ogni colonna, il che permette alle tracce nella coppia differenziale di passare tra le file di pin del connettore. Se tutti i pin fossero nella stessa colonna, avrei bisogno di 2 strati per fare il routing mostrato qui sotto invece di 1.

Dato tutti questi requisiti di progettazione, ho trovato difficile bilanciarli tutti nel mio primo backplane, e non abbiamo nemmeno fatto la disposizione iniziale dei componenti. Non avrai molta libertà in termini di disposizione dei componenti, ma puoi mantenere le cose organizzate mentre instradi i segnali attraverso il backplane, purché il tuo schema di pin sia organizzato e coerente tra i tuoi connettori. Alcuni altri consigli per aiutarti ad avere successo includono:

• Minimizzare le transizioni via su segnali ad alta velocità. Ogni via aggiunge perdita di inserzione a un interconnettore, e la perdita di inserzione deve essere minimizzata il più possibile.
• Backdrill le transizioni via ad alta velocità. Il backdrilling aggiunge costi, ma minimizza le discontinuità degli stub su linee di trasmissione lunghe.
• Non avere paura del ground pour.L'utilizzo di un piano di massa favorisce l'isolamento tra diversi gruppi di tracce ad alta velocità, garantisce profili di impedenza consistenti e aiuta a fornire abbondante conduttore per correnti di ritorno elevate.
• Rendi tutti gli strati di segnale non utilizzati degli strati piano. Se stai fornendo alimentazione attraverso il tuo backplane, non esitare ad aggiungere un ulteriore piano di alimentazione nello stack degli strati. Suddividere la corrente tra più piani di alimentazione aiuta a mantenere fresca la tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN).

Il design del backplane non è per i deboli di cuore poiché richiede molteplici specializzazioni per avere successo. Tuttavia, se hai il giusto team di progettisti e un set completo di strumenti di design, puoi superare la maggior parte degli aspetti del processo di progettazione su una singola piattaforma. Altium Designer è l'unico programma che ti offre una suite completa di strumenti di design per il layout, il routing, l'integrità del segnale, la produzione e molto altro. Sarai in grado di completare il tuo design del backplane e prepararlo per la produzione in un unico programma.

Una volta che sei pronto per mandare in produzione un progetto di backplane completato, puoi condividere i tuoi dati di progetto sulla piattaforma Altium 365. Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi consultare la pagina del prodotto per una descrizione delle funzionalità più dettagliata o uno dei Webinar On-Demand.