高速バックプレーン設計とPCBレイアウトのヒント

複数のボードを大きなシステムに接続し、それらの間の相互接続を提供する必要がある場合、これらのボードを配置するためにバックプレーンを使用することがよくあります。バックプレーンは、高速設計、機械設計、高電圧/高電流設計、さらにはRF設計からいくつかの要素を借用する高度なボードです。これらのボードは、しばしばミッションクリティカルな防衛システム、通信システム、データセンターで使用されます。IPCの信頼性要件を超える独自の標準を持っています。

バックプレーンは多くの他のPCBには見られない特定の標準に従いますが、レイアウトとルーティングに関わる概念は多くのPCB設計者にとって馴染みのあるものです。典型的なバックプレーン上のコネクタとネットの大量、そして狭いスペースは最初は挑戦的に見えるかもしれません。それでも、いくつかのシンプルな戦略が、整理を保ちながらバックプレーン設計を完了し、高い信頼性を確保するのに役立ちます。次のバックプレーン設計に取り組む際に、信頼性と信号の整合性のバランスをとるためのルーティングとレイアウトに関する戦略をいくつか学べることを願っています。これ以上はないので、PCB設計のこの豊かな領域に飛び込んでいきましょう。

バックプレーン設計の始め方

バックプレーンの設計、レイアウト、ルーティングに取り組む際には、複数のアプローチがあります。これらの設計は、限られたスペースとレイヤー数の大きなボード上で数千の接続を管理する必要があるため、難しい場合があります。さらに、バックプレーンは実際にドーターカードに電力を供給する役割を担うことがあり、各ドーターカードは、さまざまな高速デバイスを通じて複数のアンペアの電流を引き出す可能性があります。これは、バックプレーンが約100 Aの電流をサポートする必要があることを意味します。

バックプレーンの主な機能は、より大きなシステム内の複数のボード間の接続を提供することであるため、すべては使用するコネクターを中心に展開され、これらのコネクターが設計の出発点となります。バックプレーン設計に関わる基本的なタスクは以下の通りです：

1. ピン配置： 最初のステップは、必要なルーティングトポロジをサポートするためのコネクタ上のピン配置を決定することです。この点については後ほど詳しく説明します。
2. 機械的要件： ドーターボードコネクタの適切な配置に加えて、適切な接続と構造的な整合性を保証するためにガイドピンが使用されます。このリストの下部にある画像は、バックプレーンコネクタに使用される典型的なガイドピンを示しています。
3. 材料選択：高速バックプレーンにおいて、これは設計プロセスの重要なポイントです。バックプレーンはかなり大きくなることがあるため、全体を横断する必要がある信号は、大きな損失を経験する可能性があります。低損失ラミネートと密なガラス織物は、長距離のインターコネクトにおける挿入損失を最小限に抑えるのに役立ちます。マルチギガバックプレーンに有用な例としては、RogersやMegtronのラミネートがあります。
4. 電源および接地戦略：多数のドーターボードに高電力を供給する必要があるバックプレーンの場合、温度を低く保つのに役立つ電源および接地戦略が必要です。異なるプレーン層上のグラウンド/電源プレーンの配置は、ボードの周りでルーティングされる高速信号のための隔離も提供するべきです。
5. レイヤー数：バックプレーンに必要なレイヤー数は、プレーン層の数および必要な信号層の数に依存します。バックプレーンは最大24層になり、すべての設計要件を収容するために数mmの厚さがあることもあります。

上記のポイントは、他の高速設計でも考慮する必要があるポイントと同じです。しかし、バックプレーンを作業している場合、コネクタのピン配置がルーティングを制約するため、少し異なる状況になります。これはバックプレーン設計の大きな部分であり、慎重に計画する必要があります。

コネクタ、ピン配置、ルーティングがすべてです

初期設計段階での焦点の多くは、バックプレーンのコネクタにあります。コネクタの選択、バックプレーンコネクタを含む、は科学であると同時に芸術でもあり、これらのコネクタは信号整合性の主要な決定要因となります。シミュレーションは、コネクタとトレースのインターフェースで信号が過度に劣化しないようにするために非常に重要です。

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コネクタのピン配置もまた重要で、各層でのルーティングを容易にするために役立ちます。特に、ピン配置は2つの目的を達成するように設計されるべきです：

• バックプレーンバスのすべてのコネクタに信号がルーティングされる際に、特定の層上の信号が互いに交差しないようにすることです。適切に行われれば、いくつかの信号層を省略できるかもしれません。
• 理想的には、各コネクタのピンに到達する際に、バックプレーン全体を通じてルーティングが流動的であるべきです（すべてが大まかに水平です）。

以下に示すように、行ごとに作業を進めるのが最適です。各コネクタのピンが各列で交互に配置されていることに注目してください。これにより、差動ペアのトレースがコネクタピンの行間を通過できます。もし全てのピンが同じ列にあった場合、下に示すルーティングを行うためには2層が必要になりますが、1層で済みます。

これらの設計要件をすべて考慮すると、私が最初に作成したバックプレーンでは、それらをすべてバランスさせることが難しく、初期のコンポーネント配置さえ行いませんでした。コンポーネントの配置に関しては多くの自由はありませんが、コネクタ間でピン配置が整理されており一貫していれば、バックプレーンを通じて信号をルーティングする際にも整理を保つことができます。成功を助けるためのその他のヒントには以下のようなものがあります：

• 高速信号のビア遷移を最小限に抑える。各ビアはインターコネクトに挿入損失を加え、挿入損失はできるだけ最小限に抑える必要があります。
• 高速ビア遷移をバックドリルする。 バックドリリングはコストがかかりますが、長い伝送線上のスタブ不連続を最小限に抑えます。
• グラウンドプアを恐れないでください。グラウンドプアを使用することで、高速トレースの異なるグループ間の隔離を助け、一貫したインピーダンスプロファイルを保証し、高いリターン電流のための十分な導体を提供するのに役立ちます。
• 使用していない信号層をすべてプレーン層に変更してください。 バックプレーンを通じて電力を供給している場合、レイヤースタックに追加の電源プレーンを投入することを恐れないでください。複数の電源プレーン間で電流を分割することで、PDNを冷却状態に保つのに役立ちます。

バックプレーン設計は心臓の弱い人には向いていません。成功には複数の専門知識が必要です。しかし、適切な設計チームと完全な設計ツールセットを持っていれば、設計プロセスのほとんどを単一のプラットフォームで乗り切ることができます。Altium Designer^®は、レイアウト、ルーティング、信号整合性、製造など、設計に必要なフルスイートのツールを提供する唯一のプログラムです。単一のプログラムでバックプレーン設計を完了し、生産の準備ができます。

完成したバックプレーン設計を製造に移行する準備ができたら、Altium 365^®プラットフォームで設計データを共有できます。Altium DesignerをAltium 365で使用することの可能性については、まだ表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。

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