Wszystko o długości ścieżek na Twojej płytce PCB: Jak długa jest zbyt długa?

Co jakiś czas otrzymuję pytanie od czytelnika, które wzbudza moje zainteresowanie i prowadzi do ożywionej debaty, pogłębionych badań lub sesji pytań i odpowiedzi. Jedno z ostatnich pytań, które otrzymałem, dotyczyło długości ścieżek PCB, standardów sygnalizacji i specyfikacji komponentów. Oto sparafrazowane pytanie:

Jaka jest typowa maksymalna długość ścieżki dla sygnałów wysokiej prędkości?

To zawsze ciekawe pytanie, ponieważ można na nie odpowiedzieć z kilku różnych perspektyw. W tym przypadku komponent pracował z wykorzystaniem PCIe przy wysokich prędkościach na standardowym laminacie (Dk ~4 i Df ~0.02 na górnym zakresie pasma). Nie powinno być trudno zauważyć, że pytanie sugeruje zwiększenie długości ścieżki od złącza krawędziowego do odbiornika i czy komponent może tolerować zwiększoną odległość i nadal odzyskiwać sygnał w kanale.

Jak podejść do badania maksymalnej długości ścieżki PCB, jaką można tolerować w tym kanale? Rzeczywistość jest taka, że nie ma jednej maksymalnej wartości długości ścieżki PCB dla żadnego standardu sygnalizacji z wielu powodów. Zamiast tego musimy przyjrzeć się stratom w kanale, gdy sygnał się propaguje. W tym konkretnym komponencie odpowiedź była dość zaskakująca. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej.

Odpowiedź: Spójrz na całkowitą stratę

Maksymalna długość ścieżki PCB, którą możesz umieścić między dwoma komponentami, zależy od wielu czynników. Obejmują one:

• Protokół sygnalizacji: Standardy sygnalizacji określają minimalny poziom wydajności, do którego powinno być zaprojektowane połączenie. Te wymagania nie gwarantują, że projekt będzie działał, ale dają punkt odniesienia, którego można użyć do celów projektowych.
• Specyfikacje komponentów: Niektóre komponenty mogą przewyższać wymagania standardu sygnalizacji, ale to nadal nie gwarantuje, że kanał będzie działał.
• Laminat PCB i straty: Wszystkie straty w laminacie PCB zmniejszą amplitudę sygnału i wywołają zniekształcenia, więc te źródła strat muszą być uwzględnione przy określaniu długości ścieżki.
• Skos i zniekształcenie fazy: Skos może się kumulować w niektórych przypadkach, w zależności od ścieżki trasowania, ze względu na efekt tkaniny włókien. Jest to głównie problematyczne w części sygnału zajmującej ~20 GHz i wyższe częstotliwości, co powoduje zniekształcenie fazy w sygnale.

Straty kumulują się wzdłuż ścieżki

Mając to wszystko na uwadze, przyjrzyjmy się, gdzie nagromadzają się straty w kanale. Poniższy obraz pokazuje całkowite straty w naszym przykładowym kanale pod uwagę. Niektóre z tych strat zostały zgrupowane wzdłuż długości ścieżek. Niezależnie od tego, skąd pochodzą straty, po prostu sumujemy je wszystkie w dB, i możemy przeliczyć to z powrotem na wartość tłumienia dziesiętnego, jeśli chcemy.

Chodzi o to, że nie obchodzi mnie skąd pochodzą straty, wszystkie one się sumują, ograniczając moc, która dociera do odbiornika. Ponieważ sygnał może przyjąć tylko tyle strat, zanim stanie się nieodwracalny, całkowita strata ograniczy długość ścieżki PCB do pewnej maksymalnej wartości.

Nagromadzona Strata Wstawiania

Strata wstawiania (określona w dB) wzdłuż indywidualnej ścieżki zależy od długości i jest związana z długością oraz rzeczywistą częścią stałej propagacji:

Dopóki znasz stałą propagacji i długość połączenia, znasz całkowitą stratę; to po prostu suma straty wstawieniowej oraz straty zwrotnej na każdym interfejsie wzdłuż połączenia. Jeśli chcesz, możesz odwrócić tę zależność dla straty wstawieniowej i określić akceptowalną stratę oraz maksymalną długość ścieżki, pod warunkiem że możesz określić stałą propagacji.

Co jeśli określono długość?

Wróćmy na chwilę do pierwotnego pytania. W tej wymianie, komponent odbiorczy określił maksymalną długość ścieżki PCB w terminach czasu, a nie w kontekście budżetu strat lub dosłownej długości ścieżki. Innymi słowy, zakładają, że znasz prędkość grupową/fazową (lub opóźnienie propagacji) dla sygnałów podróżujących po połączeniu. Jeśli wiesz coś o dyspersji, to wiesz, że będziesz musiał wykonać dopasowanie długości ścieżki PCB względem częstotliwości, ponieważ prędkość sygnału zmienia się w zależności od częstotliwości.

Czy widzisz określoną długość czy czas, każda z tych wartości będzie miała zastosowanie tylko dla konkretnego laminatu PCB i geometrii ścieżki. Jeśli użyjesz innego materiału laminatu PCB lub geometrii ścieżki, wartość długości przestaje być ważna, ponieważ straty doświadczane wzdłuż tej długości ścieżki będą inne. W takim przypadku musisz przekonwertować określoną maksymalną długość ścieżki PCB na nową długość ścieżki, używając stałej propagacji odpowiadającej maksymalnej stracie na połączeniu. Możesz użyć stosunku:

gdzie γ to stała propagacji dla sygnału, a L to wartość długości. Tutaj wziąłem rzeczywistą wartość γ, ponieważ mówi nam to o stracie wzdłuż połączenia. Jeśli spojrzysz na pierwsze równanie powyżej, powinno być łatwo zauważyć, że lewa strona to po prostu budżet strat. Biorąc te wartości razem z odpowiednimi wartościami twojej stałej propagacji, otrzymujesz nową maksymalną długość ścieżki PCB.

Symulacje i rozwiązania polowe mogą pomóc

Istnieje kilka kroków, które można podjąć na etapie projektowania, aby zwiększyć dozwoloną długość ścieżki, aby zapobiec nadmiernym stratom:

• Wykorzystaj materiały o niższych stratach, takie jak laminat na bazie PTFE
• Wybierz złącze o niższych stratach
• Usuń nadmiarowe przelotki i wierć otwory przelotek
• Spróbuj zmodyfikować geometrię ścieżki tak, aby miała niższe straty

Jeśli masz określone ograniczenia czasowe lub długościowe dla swojego połączenia, potrzebujesz tylko stałej propagacji twojego starego i nowego połączenia, aby określić nową długość. Jeśli używasz Altium Designer, możesz użyć menedżera warstw (Layer Stack Manager) do obliczenia opóźnienia propagacji dla twoich sieci z kontrolowaną impedancją, i możesz to wykorzystać do ustawienia limitu długości ścieżki dla odpowiednich klas sieci.

Dla bardziej zaawansowanych obliczeń związanych z ekstrakcją parametrów S, użytkownicy Altium Designer® mogą użyć rozszerzenia EDB Exporter do importowania swojego projektu do solverów polowych Ansys. To prosty sposób na kwalifikację projektu z użyciem potężnej aplikacji do rozwiązywania problemów polowych przed rozpoczęciem produkcji prototypów.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365 ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.