Linee guida per la disposizione di PCB ad alta velocità: Consigli e strategie per il posizionamento

Nel settore immobiliare, la parola d'ordine è: "posizione, posizione, posizione". Curiosamente, lo stesso si può dire del layout di PCB ad alta velocità. Sebbene tutti gli aspetti del processo di progettazione di PCB ad alta velocità siano importanti, il posizionamento dei componenti è particolarmente cruciale per garantire un routing semplice, minimizzare l'EMI e, possibilmente, eliminare la necessità di alcuni strati aggiuntivi. I metodi di posizionamento che funzionano senza problemi in un design PCB standard potrebbero non soddisfare i requisiti critici di flusso del segnale di un design ad alta velocità. Perché il design funzioni, è davvero tutto una questione di "posizione, posizione, posizione".

Ecco alcuni consigli e strategie da considerare quando si crea il layout del vostro PCB ad alta velocità. Prima, esamineremo alcune considerazioni di base sul posizionamento dei componenti per i design ad alta velocità, seguite dai benefici della creazione di un piano di disposizione prima di posizionare i componenti sulla scheda. Infine, ma certamente non meno importante, discuteremo delle resistenze di terminazione e dove dovrebbero essere posizionate.

Posizionamento dei componenti nel vostro layout di PCB ad alta velocità

Ogni layout di PCB è come un puzzle difficile da risolvere, con molti obiettivi in competizione. Spesso, si hanno vincoli di forma e obiettivi sul numero di strati da rispettare, e si deve assicurare che i componenti siano posizionati in modo da soddisfare questi vincoli e molti altri.

I componenti in un layout di PCB ad alta velocità dovrebbero generalmente essere disposti nei seguenti modi:

1. Raggruppati per blocco di circuito: Innanzitutto, raggruppare i componenti che svolgono compiti specifici nel sistema. Come esempio, tutti i componenti che partecipano alla regolazione della potenza dovrebbero essere raggruppati insieme.
2. Raggruppati intorno a grandi processori: Questi componenti tendono ad avere un alto numero di I/O e interfacceranno direttamente con i tuoi blocchi di circuito raggruppati. Prova ad organizzare i blocchi di circuito di primo livello intorno al tuo processore centrale, e poi cerca di disporre i blocchi a valle intorno a questi.
3. Raggruppati per accesso ai canali di routing: Se hai un insieme di componenti che necessitano di accedere a un'interfaccia comune su un altro componente, prova a disporre questi componenti in modo che i loro pin si affaccino. Questo non sarà sempre possibile, ma se avrai successo non avrai bisogno di passare attraverso strati interni o in percorsi lunghi attorno ad altri componenti.

Nell'immagine sottostante, vedrai un grande MCU nell'area più a destra del layout, e ci sono altri componenti raggruppati intorno ad esso con i loro pin rivolti verso l'MCU. Più a sinistra, possiamo vedere che ci sono componenti secondari come connettori, LED e alcuni passivi. Nota che questi sono allineati grossolanamente per affacciarsi su un lato dell'MCU. Questo consente un routing diretto dall'MCU a quelle regioni della scheda sul lato sinistro della scheda.

 
Esempio di layout PCB ad alta velocità

Quando si pianifica la disposizione dei blocchi funzionali del circuito, tenere presente anche le esigenze dei piani di alimentazione e di massa. L'uso di piani di alimentazione continui è generalmente preferito, ma nel caso in cui le esigenze del progetto richiedano un piano di alimentazione diviso per tensioni multiple, prestare attenzione quando si collocano componenti connessi attraverso la divisione. Le linee di trasmissione ad alta velocità non dovrebbero attraversare divisioni nei piani di alimentazione poiché ciò interromperebbe il percorso di ritorno per quei segnali. Inoltre, evitare di posizionare altri componenti che non fanno parte di un circuito tra i componenti di quel circuito. Anche questo influenzerà il percorso di ritorno per quel circuito.

Esaminiamo più a fondo il posizionamento dei componenti per diversi blocchi di componenti, connettori e altri circuiti.

Preparazione al Posizionamento dei Componenti tramite la Pianificazione della Disposizione

Creare una pianta per il posizionamento dei componenti è un modo efficace per preparare un layout di PCB ad alta velocità. Pianificando in anticipo, è possibile tenere conto dei gruppi di componenti come menzionato sopra, piuttosto che essere sorpresi mentre vengono posizionati alla fine del progetto. 

Blocchi Funzionali

I blocchi funzionali di circuiti come alimentazione, RF, digitale, analogico, ecc., dovrebbero essere organizzati e posizionati come gruppi al fine di minimizzare l'incrocio dei segnali. Una pianta pre-posizionamento ti permetterà di vedere qual è il flusso di segnale tra i blocchi funzionali e come pianificarlo al meglio. Ad esempio, raggruppa il più possibile l'analogico a bassa frequenza in modo che i segnali ad alta frequenza o ad alta velocità non debbano attraversare aree sensibili della circuitazione analogica.

EMI e Connettori

Dovresti evitare di posizionare dispositivi ad alta velocità sensibili vicino al bordo della scheda. Questo perché il bordo della scheda può comportarsi come una cavità aperta che permette alla radiazione elettromagnetica di sfuggire dal bordo della scheda, il che significa che può esserci più interferenza elettromagnetica (EMI) che impatta altri componenti nel tuo sistema.

Qualsiasi cavo di cui la tua scheda necessita per dati o alimentazione dovrà raggiungere un connettore sulla tua scheda, e questi possono irradiare EMI. Pertanto, è generalmente una buona idea cercare di separare i tuoi connettori e componenti ad alta velocità, blocchi funzionali digitali ad alta velocità e blocchi analogici ad alta frequenza. La maggior parte delle linee guida afferma che dovresti posizionare i connettori più vicino ai bordi della scheda e i dispositivi ad alta velocità sensibili più vicino al centro della scheda per ridurre l'EMI nel tuo progetto.

Connettori ad alta velocità per schede PCIe. 

Gestione del Calore

Gli effetti termici sono un altro aspetto da considerare nella disposizione di design ad alta velocità. Questo perché le linee guida per il layout ad alta velocità prevedono che i dispositivi possano funzionare a temperature più elevate rispetto ai componenti standard. Per garantire che la disposizione dei tuoi componenti caldi rimanga fresca, pianifica la tua disposizione in modo che questi componenti ricevano un flusso d'aria non ostacolato. Ad esempio, non posizionare componenti più alti, come connettori, nella direzione del flusso d'aria verso un BGA caldo.

Reti di Terminazione e Adattamento d'Impedenza

La strategia di posizionamento finale e più specifica consiste nel considerare il luogo di posizionamento dei tuoi resistori di terminazione. I design di PCB ad alta velocità possono necessitare di una terminazione applicata all'estremità sorgente o ricevente di un interconnettore, a seconda delle impedenze delle porte dei componenti e dell'impedenza che è necessario adattare. Questi resistori sono spesso trattati come un'aggiunta postuma una volta che le parti principali del circuito sono già state posizionate. Poiché questi resistori fanno parte del circuito nel suo insieme, il loro posizionamento è estremamente importante affinché funzioni correttamente.

Non importa dove si desideri posizionare i componenti ad alta velocità, sarà necessario fare spazio da qualche parte per eventuali resistori di terminazione richiesti. Quindi, dove dovrebbe posizionare i resistori di terminazione un progettista, e quali effetti avrà ciò sul comportamento del segnale? Prima di tutto, dobbiamo considerare se stiamo aggiungendo resistori di terminazione in serie o in parallelo.

Terminazione Parallela (Pull-up, Shunt o Thevenin)

La terminazione parallela è normalmente utilizzata per collegare a terra l'estremità del carico di una linea di trasmissione quando il componente del carico ha un'alta impedenza di ingresso. A volte, un resistore di pull-up è utilizzato per regolare il livello del segnale in modo da adattarlo al ricevitore. I resistori di shunt e di pull-up sono talvolta utilizzati insieme, in quello che viene chiamato terminazione di Thevenin, che regola il livello del segnale al ricevitore e imposta l'impedenza di ingresso del carico per corrispondere all'impedenza della linea di trasmissione. Controlla i datasheet dei tuoi componenti per vedere quale metodo di terminazione dovresti utilizzare nei tuoi progetti.

Questo schema posiziona un lato di una resistenza di terminazione all'estremità del circuito più vicina al ricevitore, mentre l'altro lato è collegato al piano di alimentazione o di massa. Maggiore è la lunghezza della traccia dal pin di carico alla resistenza, maggiore è la tendenza del circuito a subire riflessioni del segnale che risultano in una degradazione del segnale. Questo è il motivo per cui le resistenze parallele dovrebbero essere posizionate il più vicino possibile al pin di carico del ricevitore, e dovrebbero avere un collegamento immediato di ritorno al piano di alimentazione/massa attraverso una via.

Terminazione in Serie

Lo scopo della terminazione in serie è impostare l'impedenza di uscita del driver uguale all'impedenza del collegamento intermedio. In questo schema di terminazione, una resistenza è posizionata immediatamente sul pin di uscita del driver. Poiché la resistenza è molto vicina al pin di uscita del driver, l'impedenza di ingresso vista dal driver sarà approssimativamente uguale all'impedenza di ingresso della linea di trasmissione.

Componenti con un alto numero di pin, come i pacchetti BGA, generalmente non richiedono la terminazione su ogni singolo pin del driver. Alcune interfacce possono avere una terminazione integrata, quindi non sarà necessario un resistore di terminazione esterno. Per quei pin che richiedono una terminazione in serie, è necessario avere dello spazio disponibile intorno all'esterno del componente per applicare la terminazione. Tuttavia, posizionare più resistori di terminazione in serie per un dispositivo di grandi dimensioni occuperà molto spazio sulla scheda intorno al dispositivo. Questo richiederà una pianificazione anticipata per assicurarsi che lo spazio adeguato sia disponibile senza dover strappare e sostituire le tracce nel layout del PCB ad alta velocità.

Indipendentemente dal tipo di terminazione che è necessario applicare, posizionare i resistori vicino ai componenti che stanno terminando. Non posizionarli nel mezzo di una linea di trasmissione. Scopri di più su questi metodi di terminazione in questo articolo.

Fan-in/Fanout

Il routing verso e dai componenti è una parte importante della disposizione e del routing di PCB ad alta velocità. Componenti come i quad pack sono facili da collegare, purché le tracce siano dimensionate correttamente. Idealmente, le tracce dovrebbero essere dimensionate in modo tale da poter collegarsi ai pad con una riduzione minima del diametro quando c'è una specifica di impedenza. Se l'interfaccia ha un requisito di impedenza, è meglio cercare di progettare lo stack up in modo che la larghezza della traccia corrisponda alla dimensione del pad sui componenti. Se ciò non può essere fatto, ad esempio per motivi di costo, sarà necessario ridurre il diametro o effettuare un routing coplanare con il vicino riporto di rame. Il coplanare è solitamente impraticabile, quindi è meglio cercare semplicemente di raggiungere la larghezza target.

Riduzione del diametro da una traccia larga a un pin stretto.

Preferiamo mantenere il restringimento del collo corto sui bus controllati dall'impedenza a causa della necessità di calcolare una lunghezza critica. Secondo me, la migliore pratica è semplicemente progettare il stack up in modo tale che i requisiti di larghezza della traccia da 50 ohm corrispondano già alla larghezza della traccia fino alla dimensione del pad. Questo ti dà il miglior risultato dove il restringimento del collo è completamente eliminato. Nei bus dove non c'è specifica di impedenza, non preoccupartene a meno che il routing non diventi molto lungo o stai instradando su un cavo.

Che dire dei BGA? I BGA sono un tipo di pacchetto di componenti dove il restringimento del collo è talvolta necessario sui bus specificati dall'impedenza per ottenere una traccia tra i pad. Se stai progettando con un BGA, allora probabilmente stai già spingendo ai limiti delle capacità comunque, anche nei pacchetti BGA con un passo di 1 mm. Il passo crea un requisito di dimensione del pad, e questo crea un requisito di larghezza della traccia per mantenere le distanze di sicurezza.

Per assicurarti di poter colpire la traccia con un requisito sui bus specificati dall'impedenza, molto probabilmente avrai bisogno di utilizzare un materiale laminato più sottile. I BGA con interfacce specificate dall'impedenza spingono gli spessori dielettrici a ridursi quando il passo diventa più piccolo. Per capire meglio, scopri di più sui fanout dei BGA in questo articolo.

Il floorplanning e altre strategie di cui abbiamo parlato ti daranno un ottimo punto di partenza quando crei il tuo layout PCB ad alta velocità. I migliori strumenti di progettazione PCB ad alta velocità possono aiutarti con il posizionamento così come con molti altri aspetti della progettazione. Il software professionale per la progettazione di PCB, come Altium Designer^®, ha gli strumenti giusti per il lavoro.

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