Progettazione di PCB ad Alta Velocità: Quanto Veloce è Davvero Veloce?

Come notato in diversi blog precedenti, oggigiorno il termine "PCB ad alta velocità" è praticamente onnipresente nel nostro settore. E, come citato, diciamo sempre che indipendentemente dal prodotto finale o dall'implementazione, ogni PCB è ad alta velocità in virtù della tecnologia IC incorporata in esso. Qualche anno fa, abbiamo iniziato a dire che ciò che era importante erano i tassi di transizione dei componenti, o più specificamente, le interconnessioni tra i bordi dei componenti e le schede. È così che siamo arrivati al nome della nostra azienda, Speeding Edge. È un amalgama dei termini "bleeding edge" e "tassi di transizione ad alta velocità" come esibito dalle interconnessioni dei componenti sui PCB.

È utile rivedere cosa significhi l'evoluzione del termine "alta velocità" e come sia cambiato negli anni. Questo articolo discuterà la storia dei PCB ad alta velocità, cosa intendiamo realmente quando diciamo che un dispositivo PCB è ad alta velocità e alcune delle regole generali che vengono applicate in modo inappropriato al processo di progettazione dei PCB ad alta velocità. Saranno inoltre discussi risorse preziose riguardanti le informazioni sui principi di progettazione ad alta velocità.

La Nascita e l'Evoluzione dei PCB ad Alta Velocità

Le PCB ad alta velocità esistono da molto tempo, risalendo ai computer mainframe progettati e costruiti da aziende come IBM e Cray. Ma questo era un nicchia piuttosto isolata rispetto al resto dell'industria delle PCB. Per il resto del mondo, l'alta velocità è diventata un problema di preoccupazione nei primi anni '80, quando il TTL è diventato abbastanza veloce da rendere i percorsi lunghi. Ed è così che definiamo l'alta velocità rispetto all'integrità del segnale; una PCB è ad alta velocità quando i percorsi del segnale sono lunghi rispetto ai tempi di salita, e un percorso diventa lungo quando il segnale può riflettersi sull'estremità aperta e causare problemi.

In termini di matematica precisa, se il tempo di salita è di un nanosecondo, ogni percorso che è lungo 3” o più può fallire a causa delle riflessioni. Nota: 3”=7,5 cm e 6”=15 cm. Si converte il tempo di salita in lunghezza scoprendo la velocità del percorso. Nei PCB, questo equivale approssimativamente a 6” per nanosecondo. Questo è il punto di partenza. E, quante volte ciò si verifica o quale sia la frequenza di clock non ha alcun impatto sulla determinazione.

Come nota Lee Ritchey, Presidente e Fondatore di Speeding Edge, "Ho visto progetti fallire su una linea di reset al 'power on'. Questo accade quando si accende l'alimentazione. Le persone tendevano a giudicare questo come non critico perché non accadeva spesso. Il mondo ha l'abitudine di giudicare velocemente in base alla frequenza di clock e qui è dove si incontrano i problemi."

Come esempio, alcuni anni fa abbiamo risolto un problema su un pulsossimetro che aveva fallito. L'azienda che aveva progettato il prodotto aveva determinato che il prodotto era "lento" perché aveva un clock a 1MHz. Ma non funzionava perché la parte di memoria del progetto aveva un tempo di salita di 350 picosecondi.

Dove siamo adesso? Gli ultimi dati che abbiamo esaminato da Micron Technology per i loro componenti di memoria dicevano che il bordo lento era di 100 picosecondi e il bordo nominale era di 50 picosecondi. Il bordo veloce non era specificato. Se iniziamo con un nanosecondo, il bordo lento è 1/10 di questo, il che significa che per il bordo lento un percorso lungo 3/10 di pollice può mostrare fallimenti a causa di riflessioni. In questo scenario, non esiste un prodotto che non sia veloce a prescindere dalla frequenza di clock.

I progettisti di prodotti oggi si trovano ancora in difficoltà quando assumono che, poiché le loro implementazioni finali del prodotto non sono "veloci", ciò significhi per default che il prodotto non è ad alta velocità. E ci sono cinque aree in cui le persone tendono a commettere errori. Queste includono:

• Non seguire le regole dell'integrità del segnale. Questo comprende non controllare l'impedenza, non utilizzare terminazioni adeguate e utilizzare note applicative come guide di progettazione. Molte scuse per i progetti falliti iniziano con "Ho seguito la nota applicativa, il prodotto non funziona." (Molte note applicative non contengono consigli validi sull'integrità del segnale.)

• Avere molte idee di prodotti tecnologici che provengono da persone che non comprendono le regole tecniche. Negli ultimi 30 anni, ci sono state molte idee di prodotti che hanno origine da ingegneri informatici che non hanno alcuna formazione sull'integrità del segnale.

• Prendere un mucchio di regole empiriche e applicarle al processo di progettazione senza capire come funzionano realmente le cose.

• E, come notato in diversi articoli precedenti, nei progetti ad alta velocità, la sfida più grande e critica oggi è progettare un PDS (Power Distribution System) che funzioni correttamente.

Le Cattive Regole

Quando si tratta di considerazioni sulla progettazione ad alta velocità, alcuni dei problemi più grandi derivano dall'uso di regole empiriche che non hanno basi in buone pratiche ingegneristiche. Le tre più comuni associate alla progettazione di PCB ad alta velocità sono:

• La regola del 20H

• La regola del 3W

• La regola delle vie di stitching

La Regola del 20H

La regola del 20H è una delle circa una dozzina di regole inventate che hanno avuto origine nei primi anni '90. Questa regola sostiene che se si arretra Vdd dal piano di massa di una dimensione che è 20 volte la separazione o "H" (che sta per altezza tra i due piani), si ridurrebbe l'EMI. Questa regola è stata messa alla prova in due diverse università da studenti che hanno costruito schede di prova per discernere la validazione della regola. Una scheda di prova è stata costruita con Vdd e il piano di massa allineati, mentre l'altra è stata costruita utilizzando la regola del 20H. La coppia di piani è stata eccitata con un generatore RF e controllata con una sonda a campo vicino per determinare se c'era dell'EMI che fuoriusciva dal bordo. La prima cosa che si è appresa è stata che la grandezza della radiazione che poteva sfuggire era così piccola che non avrebbe mai causato un problema di EMI. Inoltre, la poca radiazione che sfuggiva era peggiore quando veniva applicata la regola del 20H rispetto a quando Vdd e il piano di massa erano allineati. Gli articoli riguardanti questi test sono le Referenze 2 e 3 alla fine di questo articolo.

La Regola del 3W

Questa regola, che si basa su un'altra decisione arbitraria, afferma che per controllare il crosstalk tra tracce parallele disposte sullo stesso strato, deve essere mantenuto uno spazio minimo tra i centri delle tracce di 3-W. La cosa da tenere a mente è che il crosstalk non è una funzione della larghezza della traccia. Invece, è l'interazione indesiderata tra fili di segnale o tracce che viaggiano in parallelo (anche definita come accoppiamento), ed è una funzione di due cose:

• Quanto distano i due bordi?

• Quanto alte sono le tracce rispetto al piano più vicino?

L'unico modo per determinare questi due fattori è attraverso l'uso di un simulatore. Questa è un'analisi molto diretta che richiede circa due minuti per essere condotta. Tuttavia, è importante notare che fino a quando non si sa quanto la linea vittima può tollerare in termini di rumore accoppiato, non si può iniziare il processo di analisi.

Vie di Stitching

Come notato nel mio blog sui guard traces (Guard Traces: Hit or Myth?), si sostiene che le stitching vias controllino il crosstalk e costituiscano una barriera al campo elettromagnetico. Le stitching vias vengono implementate posizionando una traccia di guardia tra altre due tracce e poi inserendo periodicamente una via dalla traccia al piano di massa sottostante. La verità è che se l'uso delle stitching vias fosse necessario affinché un prodotto funzioni, nessuno dei prodotti Internet di oggi—server, ponti e router—potrebbe essere fabbricato. Meccanicamente, semplicemente non c'è abbastanza spazio per separare le migliaia di tracce che si trovano in questi prodotti.

E, come afferma Lee Ritchey, “Ho scoperto che ogni regola valida ha una dimostrazione diretta. Se la persona che cita la regola non può fornire la dimostrazione, non dovresti usarla.”

Informazioni Che Sono Più o Meno Corrette

Una delle sfide che stiamo affrontando nell'industria è la pletora di cattive informazioni che circolano in vari domini pubblici (pubblicazioni di settore, Internet, libri di "cosiddetti" esperti). La vera sfida è che all'interno di queste risorse informative, a volte finisce per esserci molta informazione corretta accoppiata con informazioni che non lo sono. La difficoltà sta nel discernere tra le informazioni di cui ci si può fidare e quelle che non si possono.

Ci sono due forum di informazione davvero validi che sono disponibili e contengono regole di progettazione valide: il database del forum IEEE e il riflettore SI-LIST. La SI-List è stata lanciata nel 1994 con 30 membri che costituivano la lista e-mail iniziale. Attraverso di essa, gli ingegneri possono pubblicare domande, rispondere a domande, partecipare a dibattiti o ascoltare il "chiacchiericcio".

Per iscriversi alla SI-List vai su http://www.freelists.org/webpage/silist. Per visualizzare gli archivi dei post, vai su: https://www.freelists.org/archive/si-list/

L'IEEE offre accesso a pubblicazioni, conferenze, standard tecnologici e attività professionali ed educative per promuovere l'avanzamento delle discipline ingegneristiche. È possibile unirsi all'IEEE come professionista dell'ingegneria o come studente.

Grazie alla tecnologia incorporata, ogni PCB progettato oggi è ad alta velocità. Comprendere cosa significa alta velocità e quali informazioni costituiscono un valido approccio alla progettazione ad alta velocità garantirà che si stia creando un prodotto che funzionerà correttamente al primo tentativo.

Riferimenti

1. Ritchey, Lee W. e Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumi 1 e 2.”

2. “Effetti della Regola del 20-H e delle Vias di Schermatura sulla Radiazione Elettromagnetica dai Circuiti Stampati,” Huabo Chen, Membro Studente, IEEE, e Jiayuan Fang, Membro Senior, IEEE Dipartimento di

3. Ingegneria Elettrica, Università della California a Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064. “Radiazione dagli Effetti di Bordo nei Circuiti Stampati (PCBs)”, Dr. Zorica Pantic-Tanner & Franz Gisin, presentazione all'incontro mensile del capitolo di Santa Clara Valley della Società EMC dell'IEEE, Maggio, 2000.

Vorresti scoprire di più su come Altium può aiutarti con il tuo prossimo progetto di PCB? Parla con un esperto di Altium o scopri di più sui migliori strumenti per la progettazione ad alta velocità in Altium Designer^®.