Projektowanie szybkich płyt głównych i wskazówki dotyczące układu PCB

Jeśli potrzebujesz połączyć wiele płyt w większy system i zapewnić między nimi połączenia, prawdopodobnie użyjesz do tego celu tzw. backplane, aby zorganizować te płyty. Backplane to zaawansowane płyty, które czerpią pewne elementy z projektowania wysokich prędkości, projektowania mechanicznego, projektowania wysokiego napięcia/wysokiego prądu, a nawet projektowania RF. Te płyty są często używane w systemach obronnych o krytycznym znaczeniu, systemach telekomunikacyjnych i centrach danych. Posiadają one własny zestaw standardów, które wykraczają poza wymagania niezawodności w IPC.

Mimo że backplane podążają za szczególnymi standardami, niewidocznymi w wielu innych PCB, koncepcje związane z układem i trasowaniem są znajome wielu projektantom PCB. Duża liczba złącz i sieci oraz ograniczona przestrzeń na typowym backplane mogą na początku wydawać się wyzwaniem. Jednak kilka prostych strategii może pomóc Ci zachować organizację i zakończyć projektowanie backplane, zapewniając przy tym wysoką niezawodność. Mam nadzieję, że nauczysz się kilku strategii podejścia do swojego następnego projektu backplane pod kątem trasowania i układu, aby zrównoważyć niezawodność i integralność sygnału. Bez zbędnych słów, przejdźmy do tej bogatej dziedziny projektowania PCB.

Rozpoczynanie pracy z projektowaniem Backplane

Istnieje wiele sposobów podejścia do rozpoczęcia pracy nad projektowaniem, układem i trasowaniem płyt głównych. Projekty te mogą być trudne, ponieważ możesz znaleźć się w sytuacji zarządzania tysiącami połączeń na dużej płycie z ograniczoną przestrzenią i liczbą warstw. Co więcej, płyty główne mogą być zaangażowane w dostarczanie zasilania do kart córek, a każda karta córka może pobierać wiele amperów prądu przez różnorodne urządzenia wysokiej prędkości. Oznacza to, że twoja płyta główna może potrzebować wsparcia dla ~100 A prądu.

Jako że podstawową funkcją płyty głównej jest zapewnienie połączeń między wieloma płytami w większym systemie, wszystko kręci się wokół złączy, których będziesz używać, i to właśnie one są punktem wyjścia twojego projektu. Oto niektóre z podstawowych zadań związanych z projektowaniem płyty głównej:

1. Pinout: Pierwszym krokiem jest określenie rozmieszczenia pinów na twoich złączach, aby wspierać wymaganą topologię trasowania. Więcej na ten temat omówię poniżej.
2. Wymagania mechaniczne: Oprócz właściwego umiejscowienia złączy kart córek, używane są piny prowadzące, aby zapewnić prawidłowe łączenie i integralność strukturalną. Obraz na dole tej listy pokazuje typowy pin prowadzący używany z złączami płyty głównej.
3. Dobór materiałów: W przypadku szybkich płyt tylnych jest to kluczowy punkt procesu projektowania. Ponieważ płyty tylne mogą być dość duże, każdy sygnał, który musi przebyć całą płaszczyznę, może doświadczyć znaczących strat. Laminaty o niskich stratach z ciasnym splotem szklanym są potrzebne, aby pomóc zminimalizować stratę wstawienia na długich połączeniach. Przykładami przydatnymi dla wielogigabitowych płyt tylnych są laminaty Rogers i Megtron.
4. Strategia zasilania i uziemienia: Dla płyt tylnych, które muszą dostarczać dużą moc do dużej liczby płyt córek, potrzebujesz strategii zasilania i uziemienia, która pomoże utrzymać niską temperaturę. Układ płaszczyzn masy/zasilania na różnych warstwach płaszczyzny powinien również zapewniać izolację dla szybkich sygnałów prowadzonych wokół płyty.
5. Liczba warstw: Liczba warstw, której potrzebujesz w swojej płycie tylniej, będzie zależeć od liczby warstw płaszczyzny oraz liczby warstw sygnałowych, które będziesz potrzebować. Płyta tylna może mieć do 24 warstw i być kilka mm grubości, aby pomieścić wszystkie wymagania projektowe.

Punkty wymienione powyżej są takie same, jak te, które należy wziąć pod uwagę przy każdym innym projekcie wysokiej prędkości. Jednak sytuacja nieco się zmienia, gdy pracujesz nad płytą tylną, ponieważ rozmieszczenie pinów w złączach będzie ograniczać trasowanie. Jest to ważna część projektowania płyty tylnej i powinna być starannie zaplanowana.

Chodzi wszystko o złącza, rozmieszczenie pinów i trasowanie

W początkowych etapach projektowania dużo uwagi poświęca się złączom w płycie tylnej. Wybór złącz, w tym złącz do płyt tylnych, jest tak samo sztuką, jak i nauką, a te złącza będą głównymi determinantami integralności sygnału. Symulacje są bardzo ważne, aby zapewnić, że sygnały nie ulegają nadmiernemu pogorszeniu na interfejsach złącze-ścieżka.

Rozmieszczenie pinów w złączach jest również krytyczne, ponieważ ułatwi trasowanie na każdej warstwie. W szczególności, rozmieszczenie pinów powinno realizować dwa cele:

• Powinno być zaprojektowane tak, aby zapobiec przecinaniu się sygnałów na danej warstwie, gdy są trasowane do wszystkich złącz na magistrali płyty tylnej. Jeśli zostanie to wykonane prawidłowo, prawdopodobnie można będzie wyeliminować kilka warstw sygnałowych.
• Idealnie, trasowanie powinno być płynne na całej płycie tylnej (wszystko w dużej mierze poziomo), gdy osiągane są piny na każdym złączu.

Rzeczy najlepiej wykonuje się w sposób rzędowy, podobnie jak trasowanie par różnicowych, które pokazałem poniżej. Zwróć uwagę, jak piny w każdym złączu są przesunięte w każdej kolumnie, co pozwala ścieżkom w parze różnicowej przejść między rzędami pinów złącza. Gdyby wszystkie piny znajdowały się w tej samej kolumnie, potrzebowałbym 2 warstw do wykonania trasowania pokazanego poniżej, zamiast 1.

Biorąc pod uwagę wszystkie te wymagania projektowe, stwierdziłem, że trudno jest je wszystkie zrównoważyć w moim pierwszym backplane, a nawet nie wykonaliśmy początkowego rozmieszczenia komponentów. Nie będziesz miał dużo swobody w kwestii rozmieszczenia komponentów, ale możesz utrzymać porządek podczas trasowania sygnałów przez backplane, o ile układ pinów jest zorganizowany i spójny we wszystkich złączach. Kilka innych wskazówek, które pomogą ci odnieść sukces, to:

• Zminimalizuj przejścia przez via w sygnałach wysokiej prędkości. Każde via dodaje stratę wtrąceniową do połączenia, a stratę wtrąceniową należy zminimalizować jak najbardziej.
• Wykonaj backdrilling przejść przez via wysokiej prędkości. Backdrilling zwiększa koszty, ale minimalizuje dyskontinuacje sztyftów na długich liniach transmisyjnych.
• Nie bój się użycia masy.Wykorzystanie masy do izolacji pomiędzy różnymi grupami szybkich ścieżek zapewnia spójne profile impedancji oraz dostarcza wystarczająco dużo przewodnika dla wysokich prądów zwrotnych.
• Zrób z wszystkich nieużywanych warstw sygnałowych warstwy płaszczyznowe. Jeśli dostarczasz zasilanie przez płytę tylną, nie bój się dodać dodatkowej warstwy zasilającej do stosu warstw. Rozdzielenie prądu pomiędzy wieloma płaszczyznami zasilającymi pomaga utrzymać niską temperaturę sieci dystrybucji zasilania (PDN).

Projektowanie płyt tylnych nie jest dla osób o słabych nerwach, ponieważ wymaga wielu specjalności dla sukcesu. Jednakże, jeśli masz odpowiedni zespół projektantów i kompletny zestaw narzędzi do projektowania, możesz przejść przez większość aspektów procesu projektowania na jednej platformie. Altium Designer to jedyny program, który oferuje pełny zestaw narzędzi do projektowania układu, trasowania, integralności sygnału, produkcji i wielu innych. Będziesz mógł zakończyć projektowanie płyty tylnej i przygotować ją do produkcji w jednym programie.

Gdy będziesz gotowy, aby wysłać ukończony projekt backplane do produkcji, możesz udostępnić dane swojego projektu na platformie Altium 365. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.