Wytyczne dotyczące układu PCB wysokiej prędkości: Wskazówki i strategie rozmieszczania

W nieruchomościach króluje hasło: „lokalizacja, lokalizacja, lokalizacja”. Co ciekawe, to samo można powiedzieć o układach PCB wysokiej prędkości. Chociaż wszystkie aspekty procesu projektowania PCB wysokiej prędkości są ważne, szczególnie ważne jest rozmieszczenie komponentów, aby zapewnić łatwe trasowanie, minimalizować EMI oraz możliwie zredukować potrzebę dodawania dodatkowych warstw. Metody rozmieszczania komponentów, które bez problemu działają w standardowym projekcie PCB, mogą nie spełniać krytycznych wymagań przepływu sygnałów w projektach wysokiej prędkości. Aby projekt się powiódł, naprawdę chodzi o „lokalizację, lokalizację, lokalizację”.

Oto kilka wskazówek i strategii, które warto rozważyć, tworząc układ PCB wysokiej prędkości. Najpierw przyjrzymy się podstawowym rozważaniom dotyczącym rozmieszczania komponentów w projektach wysokiej prędkości, a następnie korzyściom płynącym z tworzenia planu rozmieszczenia przed umieszczeniem komponentów na płytce. Na koniec, ale nie mniej ważne, omówimy rezystory zakończeniowe i miejsca, w których powinny być umieszczone.

Rozmieszczanie komponentów w Twoim układzie PCB wysokiej prędkości

Układ PCB to jak trudna łamigłówka do rozwiązania, z wieloma sprzecznymi celami. Często masz pewne ograniczenia dotyczące formy i liczby warstw, które musisz spełnić, oraz musisz upewnić się, że części są umieszczone w taki sposób, aby zadowolić te ograniczenia i wiele więcej.

Części w układzie PCB wysokiej prędkości powinny być generalnie rozmieszczone w następujący sposób:

1. Grupowane według bloku obwodów: Najpierw zgrupuj komponenty, które wykonują określone zadania w systemie razem. Jako przykład, wszystkie komponenty, które odgrywają rolę w regulacji mocy, powinny być zgrupowane razem.
2. Grupowane wokół dużych procesorów: Te komponenty mają tendencję do posiadania wysokiej liczby I/O i będą bezpośrednio łączyć się z twoimi zgrupowanymi blokami obwodów. Spróbuj zorganizować pierwszorzędowe bloki obwodów wokół twojego centralnego procesora, a następnie spróbuj zorganizować bloki podrzędne wokół tych.
3. Grupowane przez dostęp do kanałów trasowania: Jeśli masz zestaw komponentów, które muszą uzyskać dostęp do wspólnego interfejsu na innym komponencie, spróbuj zorganizować te komponenty tak, aby ich piny były skierowane na siebie. To nie zawsze będzie możliwe, ale jeśli się uda, nie będziesz musiał prowadzić tras przez wewnętrzne warstwy lub długimi ścieżkami wokół innych komponentów.

Na poniższym obrazie zobaczysz duży MCU w najbardziej prawej części układu, dookoła którego grupują się inne komponenty z pinami skierowanymi w stronę MCU. Dalej na lewo widać, że znajdują się tam komponenty wtórne takie jak złącza, diody LED i niektóre elementy pasywne. Zauważ, że są one mniej więcej ustawione w linii w stronę jednej z krawędzi MCU. Umożliwia to pewne trasowanie bezpośrednio z MCU do tych obszarów płytki po lewej stronie.

 
Przykład układu PCB wysokiej prędkości

Planując rozmieszczenie funkcjonalnych bloków obwodów, pamiętaj również o potrzebach płaszczyzn zasilania i masy. Zazwyczaj preferowane jest używanie ciągłych płaszczyzn zasilania, ale w przypadku, gdy potrzeby projektu wymagają podzielonej płaszczyzny zasilania dla wielu napięć, zachowaj ostrożność przy umieszczaniu połączonych komponentów na przeciwległych stronach podziału. Linie transmisyjne wysokiej prędkości nie powinny przecinać podziałów w płaszczyznach zasilania, ponieważ spowoduje to przerwanie ścieżki powrotnej dla tych sygnałów. Unikaj również umieszczania innych komponentów, które nie są częścią obwodu, pomiędzy komponentami tego obwodu. To również wpłynie na ścieżkę powrotną dla tego obwodu.

Spójrzmy nieco głębiej na rozmieszczanie części dla różnych bloków komponentów, złączy i innych obwodów.

Przygotowanie do rozmieszczania poprzez planowanie pięter układu

Tworzenie planu pięter dla rozmieszczenia komponentów jest skutecznym sposobem przygotowania układu PCB do pracy z wysokimi prędkościami. Planując z wyprzedzeniem, możesz uwzględnić grupy komponentów, o których wspomniano powyżej, zamiast być zaskoczonym, gdy są one umieszczane na samym końcu projektu. 

Bloki Funkcjonalne

Bloki funkcjonalne obwodów takich jak zasilanie, RF, cyfrowe, analogowe itp., powinny być zorganizowane i rozmieszczone grupowo, aby zminimalizować przecinanie się sygnałów. Wstępny plan pięter pozwoli Ci zobaczyć, jaki jest przepływ sygnałów między blokami funkcjonalnymi i jak najlepiej zaplanować ich rozmieszczenie. Na przykład, grupuj swoje analogowe komponenty niskiej częstotliwości tak bardzo, jak to możliwe, aby sygnały o wysokiej częstotliwości lub wysokiej prędkości nie musiały przechodzić przez wrażliwe obszary obwodów analogowych.

EMI i Złącza

Powinieneś unikać umieszczania wrażliwych urządzeń wysokiej prędkości blisko krawędzi płytki. Wynika to z faktu, że krawędź płytki może działać jak otwarta przestrzeń, która pozwala na ucieczkę promieniowania elektromagnetycznego z krawędzi płytki, co oznacza, że może wystąpić więcej zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), które wpływają na inne komponenty w twoim systemie.

Każdy kabel, którego twoja płyta potrzebuje do przesyłania danych lub zasilania, musi dotrzeć do złącza na twojej płycie, a te mogą emitować EMI. Dlatego zazwyczaj dobrym pomysłem jest próba oddzielenia twoich złącz i komponentów wysokiej prędkości, bloków funkcjonalnych cyfrowych wysokiej prędkości oraz bloków analogowych wysokiej częstotliwości. Większość wytycznych stanowi, że powinieneś umieszczać złącza bliżej krawędzi płytki, a wrażliwe urządzenia wysokiej prędkości bliżej centrum płytki, aby zmniejszyć EMI w twojej konstrukcji.

Złącza krawędziowe wysokiej prędkości dla kart PCIe. 

Zarządzanie ciepłem

Efekty termiczne to kolejny aspekt, który należy wziąć pod uwagę przy rozmieszczaniu elementów w projektach wysokich prędkości.  Dzieje się tak, ponieważ wytyczne dotyczące układów wysokich prędkości zakładają, że urządzenia mogą pracować w wyższych temperaturach niż standardowe komponenty. Aby zapewnić, że rozmieszczenie gorących komponentów pozostanie chłodne, zaplanuj ich rozmieszczenie tak, aby te komponenty otrzymywały nieograniczony przepływ powietrza. Na przykład, nie umieszczaj wyższych komponentów, takich jak złącza, w kierunku przepływu powietrza do gorącego BGA.

Terminacja i sieci dopasowania impedancji

Ostateczna i najbardziej specyficzna strategia rozmieszczenia to rozważenie miejsca rozmieszczenia rezystorów terminujących. Projektowanie PCB wysokich prędkości może wymagać zastosowania terminacji na końcu źródłowym lub odbiorczym połączenia, w zależności od impedancji portów komponentów i impedancji, którą trzeba dopasować. Te rezystory często traktuje się jako elementy dodawane na końcu, gdy główne części układu zostały już rozmieszczone. Ponieważ te rezystory są częścią obwodu jako całości, ich rozmieszczenie jest niezwykle ważne dla poprawnego funkcjonowania. 

Bez względu na to, gdzie chcesz umieścić swoje komponenty wysokiej prędkości, będziesz musiał znaleźć miejsce na wymagane rezystory zakończeniowe. Więc gdzie projektant powinien umieścić rezystory zakończeniowe i jakie będą miały to skutki dla zachowania sygnału? Najpierw musimy rozważyć, czy dodajemy rezystory zakończeniowe szeregowo czy równolegle.

Zakończenie równoległe (Pull-up, Shunt, lub Thevenin)

Zakończenie równoległe jest zwykle używane do połączenia końca obciążenia linii transmisyjnej z masą, gdy komponent obciążenia ma wysoką impedancję wejściową. Czasami używa się rezystora pull-up, aby dostosować poziom sygnału do wymagań odbiornika. Rezystory shunt i pull-up są czasami używane razem, nazywane zakończeniem Thevenina, które dostosowuje poziom sygnału na odbiorniku i ustawia impedancję wejściową obciążenia tak, aby pasowała do impedancji linii transmisyjnej. Sprawdź karty katalogowe swoich komponentów, aby zobaczyć, którą metodę zakończenia powinieneś użyć w swoich projektach.

Ten schem umieszcza jedną stronę rezystora zakończeniowego na końcu obwodu najbliżej odbiornika, podczas gdy druga strona jest połączona z płaszczyzną zasilania lub masą. Im większa jest długość ścieżki od pinu obciążenia do rezystora, tym bardziej obwód jest podatny na odbicia sygnału, co skutkuje degradacją sygnału. Dlatego rezystory równoległe powinny być umieszczone jak najbliżej pinu obciążenia odbiornika i powinny mieć bezpośrednie połączenie z powrotem do płaszczyzny zasilania/masy przez przelotkę.

Zakończenie szeregowe

Celem zakończenia szeregowego jest ustawienie impedancji wyjściowej sterownika równą impedancji połączenia. W tym schemacie zakończenia, rezystor jest umieszczony bezpośrednio na pinie wyjściowym sterownika. Ponieważ rezystor jest bardzo blisko pinu wyjściowego sterownika, impedancja wejściowa widziana przez sterownik będzie w przybliżeniu równa impedancji wejściowej linii transmisyjnej.

Komponenty o dużej liczbie wyprowadzeń, takie jak układy BGA, zazwyczaj nie wymagają zakończenia na każdym pojedynczym pinie sterującym. Niektóre interfejsy mogą posiadać zakończenie na chipie, więc zewnętrzny rezystor zakończeniowy nie będzie wymagany. Dla tych pinów, które wymagają szeregowego zakończenia, musi być dostępna pewna przestrzeń wokół zewnętrznej części komponentu, aby można było zastosować zakończenie. Jednakże, umieszczenie wielu rezystorów szeregowych zakończeń dla urządzenia o dużej skali zajmie dużo miejsca na płytce wokół urządzenia. Będzie to wymagało planowania z wyprzedzeniem, aby upewnić się, że dostępna jest odpowiednia przestrzeń, bez konieczności rozrywania i zastępowania ścieżek w układzie PCB o wysokiej prędkości.

Niezależnie od tego, który typ zakończenia musisz zastosować, umieść rezystory blisko komponentów, które zakończają. Nie umieszczaj ich w środku linii transmisyjnej. Dowiedz się więcej o tych metodach zakończenia w tym artykule.

Rozprzestrzenianie/Rozgałęzianie

Trasowanie do i z komponentów jest ważną częścią układania i trasowania PCB wysokiej prędkości. Komponenty takie jak pakiet quad są łatwe do trasowania, pod warunkiem że ścieżki są odpowiednio wymiarowane. Ścieżki powinny być idealnie wymiarowane tak, aby mogły być trasowane do padów z minimalnym zwężeniem, gdy istnieje specyfikacja impedancji. Jeśli interfejs ma wymaganie impedancji, najlepiej jest spróbować zaprojektować układ warstw tak, aby szerokość ścieżki odpowiadała rozmiarowi pada na komponentach. Jeśli nie można tego zrobić, na przykład ze względów kosztowych, będzie wymagało to zwężenia lub trasowania koplanarnego z pobliskim wylewem miedzi. Koplanarne jest zazwyczaj niepraktyczne, więc najlepiej jest po prostu spróbować osiągnąć docelową szerokość.

Zwężenie z szerokiej ścieżki do wąskiego pina.

Preferujemy utrzymywać krótkie zwężenie ścieżek na magistralach z kontrolowaną impedancją ze względu na wymóg obliczenia krytycznej długości. Moim zdaniem najlepszą praktyką jest zaprojektowanie stosu warstw tak, aby wymagania dotyczące szerokości ścieżki 50 om już odpowiadały szerokości ścieżki do rozmiaru pada. To daje najlepszy wynik, gdzie zwężenie ścieżki jest całkowicie eliminowane. W magistralach, gdzie nie ma specyfikacji impedancji, nie martw się tym, chyba że trasowanie staje się bardzo długie lub trasujesz na kabel.

Co z BGA? BGA to jeden z rodzajów obudów komponentów, gdzie zwężenie ścieżki jest czasami potrzebne na magistralach ze specyfikowaną impedancją, aby uzyskać ścieżkę między padami. Jeśli projektujesz z użyciem BGA, to prawdopodobnie i tak już przekraczasz granice możliwości, nawet w obudowach BGA z rozstawem 1 mm. Rozstaw tworzy wymóg dotyczący rozmiaru pada, co z kolei tworzy wymóg szerokości ścieżki, aby zachować odstępy.

Aby upewnić się, że możesz osiągnąć wymaganą ścieżkę na magistralach ze specyfikowaną impedancją, najprawdopodobniej będziesz musiał użyć cieńszego materiału laminatu. BGA z interfejsami o określonej impedancji wymuszają mniejsze grubości dielektryków, gdy rozstaw staje się mniejszy. Aby lepiej to zrozumieć, dowiedz się więcej o rozwidleniach BGA w tym artykule.

Planowanie rozmieszczenia i inne strategie, o których rozmawialiśmy, dadzą Ci świetny start, gdy tworzysz układ PCB wysokiej prędkości. Najlepsze narzędzia do projektowania PCB wysokiej prędkości mogą pomóc Ci w rozmieszczeniu, jak również w wielu innych aspektach projektu. Profesjonalne oprogramowanie do projektowania PCB, takie jak Altium Designer^®, posiada odpowiednie narzędzia do pracy.

Chcesz dowiedzieć się więcej o różnych wytycznych i możliwościach układu wysokiej prędkości, które Altium oferuje swoim użytkownikom? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.