Debata na temat "Zasad Pięści" i Wytycznych Układu PCB Trwa

Do dziś widzę wiele "zasad kciuka" dotyczących układu PCB, które stały się powszechne niemal 20 lat temu. Czy te zasady nadal mają uniwersalne zastosowanie? Odpowiedź brzmi stanowcze "może". Wiele dyskusji, które można zobaczyć na forach dotyczących zasad projektowania PCB, sprowadza się do dyskusji typu zawsze/nigdy, co powoduje, że niektórzy projektanci stosują lub ignorują powszechne zasady projektowania w sytuacjach, w których mogą one nie mieć zastosowania. W niektórych przypadkach nie spowoduje to awarii płyty. Jak powiedzieli niektórzy weterani projektowania PCB, płyta może działać dobrze przez przypadek.

Dyskusja na temat zasad kciuka dotyczących układu PCB nie dotyczy tego, czy te zasady są poprawne, czy niepoprawne. Problem polega na tym, że dyskusja na temat tych zasad często brakuje kontekstu, co prowadzi do dyskusji typu zawsze/nigdy, jakie można zobaczyć na niektórych popularnych forach. Moim celem w tym artykule jest przekazanie kontekstu stojącego za powszechnymi zasadami projektowania PCB. Mam nadzieję, że to zilustruje, kiedy różne zasady mają zastosowanie, a kiedy należy ich unikać.

Wspólne zasady kciuka dotyczące układu PCB

Bez zbędnych ceregieli, przeanalizujmy niektóre powszechne zasady kciuka dotyczące układu PCB i zobaczmy, czy możemy dostarczyć pomocny kontekst za tymi zasadami projektowania.

Ortogonalne trasowanie

Omówiłem tę szczególną zasadę w niedawnym artykule, więc tutaj powtórzę tylko najważniejsze punkty. Zasada ortogonalnego trasowania mówi, że ścieżki na sąsiednich warstwach sygnałowych powinny być prowadzone w kierunkach prostopadłych, aby eliminować indukcyjne sprzężenie między ścieżkami na tych sąsiednich warstwach. Przy wysokich częstotliwościach zauważysz, że dominujące zaczyna być sprzężenie pojemnościowe, powodujące skoki prądu między ścieżkami ortogonalnymi.

Przy niskim czasie narastania i niskich częstotliwościach (mniej niż kilka GHz) nie będzie znaczącego sprzężenia pojemnościowego między ścieżkami ortogonalnymi na sąsiednich warstwach. Przy wysokich częstotliwościach w płytach RF (kilka 10 GHz), rezonanse wnęk w tkaninie włókien oraz między nieuziemionymi strukturami przewodzącymi stworzą silne rezonanse elektromagnetyczne na określonych częstotliwościach. Może to następnie indukować silne sprzężenie między warstwami sygnałowymi, nawet jeśli ścieżki na każdej warstwie są prowadzone ortogonalnie.

Lepszym wyborem przy dowolnej częstotliwości jest po prostu oddzielenie warstw sygnałowych przez warstwy płaszczyzny. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku nowoczesnych PCB, które pracują na wysokich prędkościach zboczy/częstotliwościach, po prostu ze względu na rodziny logiczne używane w nowoczesnych układach scalonych. Jeśli podejrzewasz, że będziesz w porządku, używając ortogonalnego trasowania ścieżek, powinieneś mimo wszystko przeprowadzić podstawową symulację przeplotu z ortogonalnymi ścieżkami i sprawdzić, czy przeplot przebije przez Twój margines szumów. Upewnij się również, że dokładnie zaplanujesz swoją ścieżkę powrotną, ponieważ jest to jeden z głównych problemów z ortogonalnym trasowaniem ścieżek.

Przewody termiczne z ulgą

To jedna z tych klasycznych debat typu 'zawsze/nigdy'. Jeden projektant powie, że nigdy nie używa przewodów termicznych z ulgą i nigdy nie miał problemów z lutowaniem czy montażem. Tymczasem inny projektant stwierdzi, że przewody termiczne z ulgą powinny być zawsze używane przy każdym połączeniu z płaszczyzną. Więc kto ma rację?

Obie strony mają rację w różnych sytuacjach. Jeśli lutowanie odbywa się ręcznie, można zwiększyć temperaturę lutownicy, aby skompensować rozpraszanie ciepła do warstwy płaszczyzny. W przeciwnym razie, jeśli Twoja firma montażowa będzie używać lutowania falowego, potrzebne są przelotki termiczne, aby zapobiec przesuwaniu się komponentów, zimnym złączom i tombstoningowi. Moim zdaniem lepiej jest po prostu zdecydować się na użycie przelotek termicznych bez względu na wszystko.

Trasowanie pod kątem prostym

Ta zasada jest prawdopodobnie jedną z tych, które wszyscy kochają nienawidzić. Do dziś widzę, że projektanci twierdzą, iż ścieżki pod kątem prostym nigdy nie powinny być stosowane pod żadnym pozorem. Powody są różne, od nonsensownych, jak to, że elektrony nie mogą skręcić pod kątem 90 stopni na rogu ścieżki, mimo że ci sami projektanci ignorują zakręty o 90 stopni na przelotkach. Powody mają również charakter praktyczny, na przykład krótszą ścieżkę można poprowadzić za pomocą dwóch zakrętów o 45 stopni w porównaniu do dwóch zakrętów o 90 stopni. Inne wyjaśnienia tej zasady mówią, że zewnętrzna strona wszystkich zakrętów o 90 stopniach musi być fazowana. Jest również kwestia pułapek kwasowych, chociaż nie jest to problem przy użyciu nowoczesnych środków zasadowych do trawienia.

Chyba że pracujesz przy 50 GHz i powyżej (na ten moment dotyczy to tylko społeczności radarów mmWave/5G), nie musisz martwić się o ścieżki pod kątem prostym. W rzeczywistości, możesz trasować pod dowolnym kątem, jednocześnie zachowując kontrolę impedancji na całej długości połączenia. Proces ten jest niezwykle łatwy, gdy narzędzia do trasowania PCB są zintegrowane z rozwiązaniem do rozwiązywania pola elektromagnetycznego.

Układ PCB: Zasada "3W"

To tak naprawdę odnosi się do trzech zasad. Pierwsza wersja zasady 3W mówi, że odstęp między sąsiednimi ścieżkami powinien wynosić co najmniej 3x szerokość ścieżek. Celem jest zminimalizowanie strumienia magnetycznego między ścieżkami. Logika głosi, że minimalizacja strumienia magnetycznego między ścieżkami minimalizuje indukcyjne przesłuchy.

Inkarnacje tej zasady, które czytałem, zdają się ignorować fakt, że siła indukcyjnych przesłuchów jest proporcjonalna do indukcyjności pętli agresora i ścieżki ofiary, co jest proporcjonalne do obszaru zamkniętego przez obie ścieżki. Jeśli indukcyjność pętli i obszar zamknięty przez każdą ścieżkę zostanie zmniejszony, wówczas ścieżki mogą być rozmieszczone na mniejszej odległości niż 3W. Tak jak w przypadku trasowania ortogonalnego, powinieneś przeprowadzić podstawową symulację przesłuchów, zmieniając odstępy między ścieżkami.

Inna inkarnacja zasady 3W pojawia się w trasowaniu piłozębnym dla dopasowania długości. Ta zasada jest górnym limitem rozmiaru sekcji piłozębnej, która ma na celu minimalizację nieciągłości impedancji w tych strukturach dopasowujących długość. Przeczytaj więcej o tej wersji zasady 3W w tym najnowszym artykule.

Ostatecznie, trzecia inkarnacja tej zasady dotyczy odstępu między mikropaskami a pobliskim wylewem miedzi, lub między liniami paskowymi a pobliskim wylewem miedzi. Ta zasada separacji stwierdza, że odstęp między ścieżką a wylewem miedzi powinien wynosić co najmniej 3x szerokość ścieżki, aby zapobiec modyfikacji impedancji miedzi przez pobliski wylew.

Jak omówiłem w niedawnym artykule i pokazałem na prostych symulacjach, ta zasada jest zbyt konserwatywna. Chociaż przestrzeganie tej zasady niekoniecznie zaszkodzi twojemu projektowi lub spowoduje problem z integralnością sygnału, z pewnością możesz naruszyć tę zasadę do pewnego stopnia. Dokładny zakres, w jakim możesz naruszyć tę zasadę, zależy od szerokości ścieżki do grubości warstwy, jak również od stałej dielektrycznej substratu. Zapoznaj się z powiązanym artykułem, aby zobaczyć, jak można to obliczyć. Jeśli nie masz ochoty obliczać minimalnego odstępu, który możesz ustawić w swoich striplinach lub mikropaskach, możesz trzymać się zasady 3W, aby być bezpiecznym.

Zasada ‘20H’

Ta zasada definiuje odległość, jaką płaszczyzna masy powinna sięgać pod płaszczyzną zasilania w PCB. Najpierw powinieneś umieścić płaszczyznę zasilania obok jej płaszczyzny masy w nowoczesnym PCB, aby zapewnić wystarczającą pojemność międzyplanarną i zmniejszyć ripple szyny zasilającej w szybkich płytach.

Niektóre eksperymentalne badania na ten temat przedstawiają mieszane wyniki. Według jednego z badań, emisje RF z pola brzegowego poniżej około 300 MHz mogą zostać zredukowane o ~5 dBμV/m, stosując zasadę 20H. Przy wyższych częstotliwościach, odpowiadających wymuszonym rezonansom w strukturze falowodu płaszczyzny masy i zasilania, wyniki są zupełnie inne. Emisje RF są tłumione na niektórych częstotliwościach, ale zwiększane na innych, niezależnie od tego, czy stosowana jest zasada 20H. W efekcie, stosowanie zasady 20H po prostu zmienia częstotliwości rezonansowe, wszystkie z nich znajdują się w zakresie GHz.

Oto werdykt: jeśli pasmo sygnału jest poniżej zakresu GHz, to warto stosować zasadę 20H. W przeciwnym razie, nie wydaje się, aby istniała uniwersalna korzyść; czy zasada 20H będzie tłumić emisje RF z pola brzegowego, zależy od pasma sygnału.

Dalsze czytanie na temat zasad układu PCB

Zapoznaj się z innymi artykułami na temat zasad projektowania PCB:

• 5 najważniejszych zasad projektowania PCB, które każdy projektant PCB powinien znać
• 7 powszechnych błędnych przekonań na temat projektowania PCB
• Najgorsze porady dotyczące projektowania PCB, jakie kiedykolwiek słyszeliśmy

Niezależnie od tego, które zasady układu PCB lub standardy branżowe są ważne dla Twojego projektu, możesz zdefiniować je jako zasady projektowania w Altium Designer. Zintegrowane środowisko projektowe w Altium Designer integruje Twoje dane projektowe z narzędziami do trasowania i układania, a Twoje narzędzia projektowe będą sprawdzać Twoją płytę pod kątem zdefiniowanych zasad projektowania podczas tworzenia układu. Będziesz miał również kompletny zestaw narzędzi do przeprowadzania symulacji integralności sygnału i przygotowania nowego produktu do produkcji.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.