Projektowanie PCB wysokiej prędkości: Jak szybko to jest szybko?

Jak zauważono w kilku poprzednich blogach, obecnie termin "wysokoprędkościowa PCB" jest praktycznie wszechobecny w naszej branży. I, jak wspomniano, zawsze mówimy, że niezależnie od produktu końcowego czy implementacji, każda PCB jest wysokoprędkościowa ze względu na zastosowaną w niej technologię układów scalonych. Kilka lat temu zaczęliśmy mówić, że ważne są szybkości krawędzi komponentów, a dokładniej, połączenia między krawędziami komponentów a płytami. To właśnie tak doszliśmy do nazwy naszej firmy, Speeding Edge. Jest to połączenie terminów "bleeding edge" i "wysokoprędkościowe szybkości krawędzi" jakie prezentują połączenia komponentów na PCB.

Warto ponownie przyjrzeć się, co ewolucja terminu "wysoka prędkość" oznacza i jak zmieniła się na przestrzeni lat. Ten artykuł omówi historię wysokoprędkościowych PCB, co naprawdę mamy na myśli, mówiąc, że urządzenie PCB jest wysokoprędkościowe oraz niektóre zasadki, które są nieodpowiednio stosowane w procesie projektowania wysokoprędkościowych PCB. Omówione zostaną również cenne źródła informacji na temat zasad projektowania wysokoprędkościowego.

Narodziny i ewolucja wysokoprędkościowych PCB

Wysokoprędkościowe PCB są obecne na rynku już od dawna, sięgając czasów komputerów mainframe projektowanych i budowanych przez takie firmy jak IBM i Cray. Jednak była to dość izolowana nisza w stosunku do reszty branży PCB. Dla reszty świata, kwestia wysokiej prędkości stała się problemem na początku lat 80., kiedy TTL stało się na tyle szybkie, że ścieżki stały się długie. I właśnie w ten sposób definiujemy wysoką prędkość w odniesieniu do integralności sygnału; PCB jest wysokoprędkościowe, gdy ścieżki sygnałowe są długie w stosunku do czasów narastania, a ścieżka staje się długa, gdy sygnał może odbić się od otwartego końca i powodować problemy.

W terminach ścisłej matematyki, jeśli czas narastania wynosi nanosekundę, każda ścieżka, która ma 3 cale lub więcej, może zawieść z powodu odbić. Uwaga: 3 cale=7,5 cm, a 6 cali=15 cm. Przekształcasz czas narastania na długość, znajdując prędkość ścieżki. W PCB, odpowiada to mniej więcej 6 calom na nanosekundę. To jest punkt wyjścia.I, jak często to się zdarza lub jaka jest częstotliwość zegara, nie ma wpływu na ustalenie.

Jak zauważa Lee Ritchey, prezes i założyciel Speeding Edge, „Widziałem projekty, które zawodziły na linii resetowania przy włączaniu zasilania. Działo się to, gdy włączano zasilanie. Ludzie oceniali to jako niekrytyczne, ponieważ nie zdarzało się to często. Świat ma ten zwyczaj, że szybko ocenia na podstawie częstotliwości zegara i to właśnie wtedy wpadają w kłopoty.”

Jako przykład, kilka lat temu zajmowaliśmy się pulsoksymetrem, który uległ awarii. Firma, która zaprojektowała produkt, stwierdziła, że produkt jest „wolny”, ponieważ miał zegar 1MHz. Ale nie działał, ponieważ część pamięci projektu miała czas narastania 350 pikosekund.

Więc gdzie jesteśmy teraz? Ostatnie dane, na które patrzyliśmy od Micron Technology dla ich komponentów pamięci, mówiły, że wolna krawędź miała 100 pikosekund, a nominalna krawędź 50 pikosekund. Szybka krawędź nie była określona. Jeśli zaczniemy od nanosekundy, wolna krawędź stanowi 1/10 tego, co oznacza, że dla wolnej krawędzi ścieżka o długości 3/10 cala może wykazywać awarie z powodu odbić. W tym scenariuszu nie ma produktu, który nie byłby szybki, niezależnie od częstotliwości zegara.

Projektanci produktów nadal napotykają problemy, zakładając, że skoro ich ostateczne implementacje produktów nie są "szybkie", to domyślnie oznacza to, że produkt nie jest wysokiej prędkości. Istnieje pięć obszarów, w których ludzie mają tendencję do popełniania błędów. Obejmują one:

• Nieprzestrzeganie zasad integralności sygnału. Obejmuje to brak kontroli impedancji, nie stosowanie odpowiednich zakończeń oraz wykorzystywanie not aplikacyjnych jako przewodników projektowych. Wiele wymówek dotyczących nieudanych projektów zaczyna się od "Postępowałem zgodnie z notą aplikacyjną, produkt nie działa". (Wiele not aplikacyjnych nie zawiera ważnych porad dotyczących integralności sygnału.)

• Mając dużo pomysłów na produkty technologiczne, które pochodzą od osób niezrozumiejących technicznych zasad. W ciągu ostatnich 30 lat pojawiło się wiele pomysłów na produkty, które pochodziły od inżynierów informatyków, którzy nie mają żadnego szkolenia z zakresu integralności sygnału.

• Przyjmowanie różnych reguł kciuka i stosowanie ich w procesie projektowym bez zrozumienia, jak rzeczy naprawdę działają.

• I, jak zauważono w kilku poprzednich artykułach, w projektach wysokiej prędkości największym i najbardziej krytycznym wyzwaniem obecnie jest zaprojektowanie prawidłowo działającego PDS.

Złe zasady

Gdy mowa o rozważaniach dotyczących projektowania wysokich prędkości, niektóre z największych problemów wynikają z używania reguł opartych na doświadczeniu, które nie mają podstaw w dobrych praktykach inżynierskich. Trzy najczęstsze z nich, związane z projektowaniem PCB wysokich prędkości, to:

• Reguła 20H

• Reguła 3W

• Reguła przelotek

Reguła 20H

Reguła 20H jest jedną z grupy około dwunastu zmyślonych reguł, które pojawiły się na początku lat 90. Reguła ta zakłada, że jeśli cofniesz Vdd od płaszczyzny masy o wymiar, który jest 20 razy większy niż separacja lub „H” (co oznacza wysokość między dwoma płaszczyznami), zmniejszysz EMI. Reguła ta została poddana testom w dwóch różnych uniwersytetach przez studentów, którzy zbudowali płytki testowe, aby zweryfikować prawdziwość reguły. Jedna płyta testowa została zbudowana z Vdd i płaszczyzną masy na tym samym poziomie, podczas gdy druga została zbudowana z zastosowaniem reguły 20H. Parę płaszczyzn pobudzono generatorem RF i sprawdzono za pomocą sondy bliskiego pola, aby ustalić, czy jakiekolwiek EMI ucieka z krawędzi. Pierwszą rzeczą, którą się dowiedziano, było to, że wielkość promieniowania, które mogłoby uciec, była tak mała, że nigdy nie spowodowałaby problemu z EMI. Co więcej, niewielka ilość promieniowania, która uciekła, była gorsza, gdy zastosowano regułę 20H, w porównaniu do sytuacji, gdy Vdd i płaszczyzna masy były na tym samym poziomie. Prace dotyczące tych testów to Referencje 2 i 3 na końcu tego artykułu.

Reguła 3W

Ta reguła, oparta na kolejnej arbitralnej decyzji, stanowi, że aby kontrolować przeplot między równoległymi ścieżkami prowadzonymi na tej samej warstwie, należy zachować minimalny odstęp między środkami ścieżek wynoszący 3-W. Należy pamiętać, że przeplot nie jest funkcją szerokości ścieżki. Zamiast tego, jest to niechciana interakcja między przewodami sygnałowymi lub ścieżkami biegnącymi równolegle (nazywane również sprzężeniem), i jest funkcją dwóch rzeczy:

• Jak daleko są od siebie dwie krawędzie?

• Jak wysoko nad najbliższą płaszczyzną znajdują się ścieżki?

Jedynym sposobem na określenie tych dwóch czynników jest użycie symulatora. Jest to bardzo prosta analiza, która zajmuje około dwóch minut. Jednak ważne jest, aby zauważyć, że dopóki nie wiadomo, ile linia ofiary może tolerować pod względem sprzężonego szumu, nie można rozpocząć procesu analizy.

Stitching Vias

Jak wspomniałem w moim blogu na temat ścieżek strażniczych (Guard Traces: Hit or Myth?), twierdzi się, że przelotki zszywające kontrolują przeploty i stanowią barierę dla pola elektromagnetycznego. Przelotki zszywające są wdrażane poprzez umieszczenie ścieżki strażniczej między dwoma innymi ścieżkami, a następnie okresowe umieszczanie przelotki z tej ścieżki do płaszczyzny masy znajdującej się poniżej. Prawda jest taka, że gdyby użycie przelotek zszywających było wymagane, aby produkt działał, żaden z dzisiejszych produktów internetowych—serwery, mosty i routery—nie mógłby zostać wyprodukowany. Mechanicznie, po prostu nie ma wystarczająco dużo miejsca, aby oddzielić tysiące ścieżek, które znajdują się w tych produktach.

I, jak stwierdza Lee Ritchey, „Odkryłem, że każda reguła, która jest ważna, ma prosty dowód. Jeśli osoba przytaczająca regułę nie może podać dowodu, nie powinieneś jej używać.”

Informacje, które są w pewnym sensie poprawne

Jednym z wyzwań, z którymi mierzymy się w branży, jest mnogość błędnych informacji, które krążą w różnych domenach publicznych (publikacje branżowe, Internet, książki autorstwa "tak zwanych" ekspertów). Prawdziwym wyzwaniem jest to, że w tych zasobach informacyjnych czasami znajduje się wiele informacji, które są poprawne, ale są zestawiane z informacjami, które nimi nie są. Trudność polega na rozróżnieniu między informacjami, którym można ufać, a tymi, którym nie można.

Istnieją dwa naprawdę dobre fora informacyjne, które zawierają ważne zasady projektowania: baza danych forum IEEE oraz reflektor SI-LIST. Lista SI została uruchomiona w 1994 roku z 30 członkami tworzącymi listę e-mailową czarterową. Dzięki niej inżynierowie mogą zadawać pytania, odpowiadać na pytania, uczestniczyć w debatach lub słuchać "pogłosek".

Aby zapisać się na listę SI, przejdź do http://www.freelists.org/webpage/silist. Aby wyświetlić archiwum postów, przejdź do: https://www.freelists.org/archive/si-list/

IEEE zapewnia dostęp do publikacji, konferencji, standardów technologicznych oraz profesjonalnych i edukacyjnych działań, mających na celu promowanie postępu w dziedzinach inżynierii. Można dołączyć do IEEE jako profesjonalista w dziedzinie inżynierii lub jako student.

Z uwagi na technologię, którą zawiera, każda zaprojektowana dzisiaj płyta PCB jest wysokiej prędkości. Zrozumienie, czym jest wysoka prędkość i które informacje stanowią ważne podejście do projektowania wysokiej prędkości, zapewni, że tworzysz produkt, który będzie działał poprawnie za pierwszym razem.

Referencje

1. Ritchey, Lee W. i Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Tom 1 i 2.”

2. „Efekty reguły 20-H i ekranowania przez viasy na promieniowanie elektromagnetyczne z płyt obwodów drukowanych”, Huabo Chen, Student Członek, IEEE, i Jiayuan Fang, Starszy Członek, IEEE, Wydział

3. Inżynierii Elektrycznej, University of California w Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064. „Promieniowanie z efektów krawędziowych w płytach obwodów drukowanych (PCB)”, Dr Zorica Pantic-Tanner & Franz Gisin, prezentacja na miesięcznym spotkaniu rozdziału Santa Clara Valley Chapter of IEEE EMC Society, maj, 2000.

Czy chciałbyś dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w Twoim następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium lub dowiedz się więcej o najlepszych narzędziach do projektowania wysokich prędkości w Altium Designer^®.