Porady i wytyczne dotyczące projektowania PCB wysokiej prędkości

W tym artykule przyjrzymy się kilku wskazówkom i wytycznym dotyczącym projektowania szybkich płytek drukowanych.

Jeśli chodzi o szybkie projekty, zazwyczaj skupiamy się na dwóch obszarach. Pierwszym z nich jest integralność sygnału (SI) i problemy związane z przeplotem sygnałów ze względu na odległość między ścieżkami, odbicia spowodowane niedopasowaniem impedancji, tłumienie sygnału oraz problemy takie jak dzwonienie. Oczywiście chcielibyśmy zminimalizować te problemy najlepiej, jak potrafimy. Po drugie, martwimy się o zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Zanim zaczniemy, muszę polecić fantastyczny film na kanale YouTube Altium autorstwa Ricka Hartleya na temat właściwego projektowania PCB i jak osiągnąć właściwe uziemienie. Tematy omówione szczegółowo w tym filmie są szczególnie ważne dla szybkich projektów cyfrowych i analogowych. Koniecznie sprawdź film tutaj.

Co to jest "szybki" projekt PCB?

Zanim przejdziemy do tych wskazówek dotyczących projektowania i układu szybkich PCB, spójrzmy, kiedy naprawdę musimy się tym wszystkim zajmować!

Załóżmy na przykład, że mamy sygnał zegarowy o częstotliwości 100 MHz w naszym projekcie i naiwnie zakładamy, że jest to najwyższa częstotliwość widoczna w naszym systemie. Okazuje się, że problem nie polega na tym, że sygnał zegarowy ma podstawową częstotliwość 100 MHz, ale raczej na tym, że problemy z naszym projektem wynikają z czasów narastania i opadania tego niemal kwadratowego sygnału zegarowego.

Te ostre przejścia z cyfrowego niskiego na cyfrowe wysokie (lub odwrotnie) zawierają znacznie wyższą zawartość częstotliwości niż podstawowa. Mając dane o czasie narastania i opadania sygnału (w zależności od tego, który z nich jest szybszy), możemy obliczyć maksymalną częstotliwość w sygnale (a raczej pasmo) przybliżając je za pomocą następującego wzoru:

Na przykład, dla sygnału zegarowego 100 MHz z czasem narastania 1 ns, pasmo tego sygnału to 500 MHz—całkiem znacząca różnica!

Kiedy długość ścieżki PCB przekracza 1/12 długości fali w dielektryku, musimy zacząć rozważać nasz projekt PCB z dużo większą uwagą. To jest moment, kiedy nasze ścieżki zaczynają wyglądać jak linie transmisyjne o rozłożonej długości, a nie jak skupione elementy. Tę długość nazywamy „krytyczną długością”.

Wskazówka nr 1: Płaszczyzny odniesienia

Zawsze chcemy mieć warstwę masy lub odpowiednią warstwę zasilającą obok warstwy sygnałowej, bezpośrednio pod (lub nad) warstwą, która przenosi ścieżkę. W niektórych przypadkach można użyć odpowiedniej warstwy zasilającej zamiast warstwy masy jako odniesienia. Odpowiedni tutaj oznacza, że napięcie warstwy odniesienia jest takie samo jak napięcie, z którego pochodzi sygnał. Warstwy odniesienia są ważne nie tylko do utrzymania właściwych ścieżek powrotnych i minimalizacji rozprzestrzeniania się pola elektromagnetycznego, ale także przy wymaganiu ścieżek o kontrolowanej impedancji. 

Dla sygnałów AC, powyżej kilku kHz, ścieżka powrotna znajduje się bezpośrednio pod ścieżką sygnałową w warstwie odniesienia poniżej. Bardzo ważną zasadą jest, aby nie było żadnych rozłączeń w warstwie odniesienia pod ścieżkami.

Wskazówka nr 2: Układ warstw płytki

Chcemy mieć warstwę masy nie tylko obok warstwy sygnałowej, ale także obok warstwy zasilającej. Dobrym pomysłem jest również umieszczenie cienkiej dielektrycznej warstwy między warstwami, co z kolei zapewnia nam ścisłe sprzężenie oraz pozwala na używanie cieńszych ścieżek dla bardziej zwartych projektów.

Cieńsze ścieżki dodatkowo dają nam więcej miejsca do pracy i więcej przestrzeni między ścieżkami. Należy jednak pamiętać, że produkcja cienkich ścieżek może być trudniejsza.

Wskazówka #3: Ścieżki o kontrolowanej impedancji

Gdy długość naszej ścieżki przekroczy krytyczną długość omówioną we wstępie tego artykułu, musimy kontrolować impedancję naszych ścieżek. Oznacza to, że musimy dostosować szerokość naszej ścieżki—w zależności od wybranego układu warstw PCB i budowy—aby uzyskać określoną impedancję linii transmisyjnej. Zazwyczaj będzie to 50 omów dla sygnałów jednostronnych. Altium Designer oferuje potężne narzędzie 2D field solver, które może obliczyć wymagane szerokości ścieżek w zależności od twojego układu warstw i budowy w kilka sekund!

Wskazówka #4: Długość ścieżki, odstępy i zasada 3h

Musimy utrzymywać ścieżki wysokiej prędkości jak najkrótsze—pomaga to w ograniczeniu EMI i SI. Dodatkowo, chcemy trzymać różne ścieżki wysokiej prędkości jak najdalej od siebie, aby zminimalizować przesłuch.

Ponadto, należy unikać prowadzenia ścieżek wysokiej prędkości w pobliżu komponentów takich jak dławiki czy sekcje zasilania obwodu. Typową zasadą jest zasada 3h, co oznacza, że ścieżki powinny być oddzielone co najmniej trzykrotnością wysokości dielektryka pomiędzy warstwą sygnałową a następną warstwą masy lub odniesienia.

Dla wysokowydajnych, wysokoprędkościowych projektów, często wymagane są narzędzia symulacyjne, aby zweryfikować, czy spełniamy wymagane parametry integralności sygnału i wydajności EMI.

Altium Designer na Altium 365 dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności. Dostępnych jest również wiele samouczków dotyczących projektowania PCB wysokiej prędkości, pełnych dodatkowych wytycznych dotyczących projektowania i układu PCB wysokiej prędkości, z których możesz skorzystać.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub jedno z Webinarów na Żądanie aby dowiedzieć się więcej o technikach projektowania i układania PCB wysokiej prędkości.