Integralność sygnału w wielopłytowych PCB: Kompletny przewodnik

Projektowanie wielopłytowych PCB wydaje się bardzo proste na pierwszy rzut oka. Projektujesz zespół wielu płyt i łączysz je razem za pomocą kabli, połączeń krawędziowych, złączy mezzanine, pinów pogo itp. Wielopłytowe PCB mają zestaw wyzwań związanych z integralnością sygnału, które nie zawsze występują w systemach posiadających tylko jedną płytę PCB. Niezależnie od tego, czy masz pojedynczą płytę, czy zespół wielu płyt, integralność sygnału musi być zachowana, szczególnie w zaawansowanych systemach znajdujących się w obszarach takich jak wojsko, lotnictwo, HPC i AI.

Gdzie zatem stosuje się zasady integralności sygnału w zespole wielu płyt PCB? Istnieje kilka obszarów, w których integralność sygnału musi być zachowana i często kwalifikowana eksperymentalnie:

• Wyprowadzenia i interfejsy złączy
• Projekty kabli i wiązek
• Połączenia z powrotem do obudowy, np. metalizowanej obudowy

Problemy z integralnością sygnału w tych obszarach mogą również przerodzić się w problemy EMI/EMC, co jest szczególnie prawdziwe w przypadku wielopłytowych PCB.

W tym poradniku postaram się pokazać, jak wybrać komponenty i zaprojektować połączenia między płytkami tak, aby zachować integralność sygnału na wielu płytach. Te kroki nadal nie eliminują potrzeby zachowania integralności sygnału na płytce PCB; oba obszary są ważne w systemach i pomagają zapobiegać problemom z EMI.

Sygnały i emisje na połączeniach wielopłytowych

Odwołując się do projektowania wielopłytowych PCB, oczywiście przesyłamy sygnały między dwoma PCB, więc powinniśmy wiedzieć coś o sygnałach i potencjalnych emisjach, które mogą tworzyć. To odniesienie do emisji jest jednym z kluczowych powiązań między EMI/EMC a projektowaniem wielopłytowych PCB.

Typ emisji i szumów, jakich można się spodziewać, zależy od rodzaju sygnału, który musisz wysłać między dwoma PCB:

• Sygnały różnicowe, które są samoodniesieniowe
• Sygnały jednostronne, które wymagają odniesienia
• Sygnały sinusoidalne lub wąskopasmowe, które są zazwyczaj jednostronne

Typ sygnału i szybkość zmiany stanu będą decydować o projekcie twojego rozkładu pinów, zakładając, że rozkład pinów nie został wcześniej ustalony dla ciebie. Jeśli możesz odpowiednio zaprojektować swój rozkład pinów i wybrać odpowiedni konektor, możesz zapewnić integralność sygnału na interfejsie konektora.

Oprócz projektowania rozmieszczenia pinów, sam złącze może być odpowiedzialne za problemy z integralnością sygnału. Głównym problemem z integralnością sygnału, który może pojawić się w połączeniach płyta-do-płyty, jest nadmierna refleksja, która prowadzi do promieniowania. W polu bliskim, promieniowanie może być bezpośrednio śledzone do korpusu złącza, co jest najbardziej zauważalne z powodu braku spójnego odniesienia do masy, które zawierałoby sygnał. Wreszcie, chociaż dane złącze może mieć odpowiednie rozmieszczenie pinów i być oceniane na określoną prędkość transmisji danych, nieprawidłowe wprowadzenie ścieżki do korpusu złącza lub pozostałe końcówki mogą tworzyć nadmierną stratę.

Najpierw przyjrzyjmy się typom złączy, które byłyby potrzebne w sytuacjach, gdzie integralność sygnału jest głównym problemem.

Najlepsze typy złączy dla integralności sygnału

Główni dostawcy złączy opracowali wiele systemów połączeń płyta-do-płyty, które zostały sprawdzone do użytku przy bardzo wysokich prędkościach transmisji danych. Innymi słowy, te systemy złączy zostały wykazane jako skutecznie działające do bardzo wysokich szerokości pasma kanału, jak określono na podstawie parametrów urządzenia. Niektóre przykłady tych typów złączy obejmują:

• Złącza krawędziowe płyta-do-płyty z suwakowymi stykami pinowymi
• Złącza typu blade (pionowe i montaż krawędziowy)
• Systemy złączy typu slot lub blade montowane przez otwór, takie jak w systemach VPX
• Systemy złączy z suwakowymi pinami
• Złącza koaksjalne dla układów złączy
• Złącza montowane na BGA o wysokiej gęstości

Świetnym przykładem części, która może obsługiwać te bardzo wysokie prędkości sygnału, jest parę złączy Samtec 40-pinowe QTE/QSE, które są lepiej znane jako złącze SYZYGY.

Numer części: Samtec QTE-020-01-F-D-A

W dziedzinie systemów RF, szczególnie systemów mm-falowych, istnieją również produkty złączy koaksjalnych grupowych, które mogą być montowane do PCB i łączyć się z kablem. Na przykład, poniższe grupowe złącze SMPM.

Numer części: TE Connectivity 2441485-1

Na koniec zawsze lubię przedstawić przykład złącza przelotowego, które można znaleźć w płytach tylnych VPX, aby zilustrować użyteczność tych złącz, nawet w szybkich połączeniach. Chociaż złącze montowane jest jako komponent przelotowy, interfejs płyta-płyta nie używa pinów, jakie można by znaleźć w nagłówku. Zamiast tego są to złącza ślizgowe, które są kompatybilne z bardzo wysokimi prędkościami transmisji danych.

Amphenol SpaceVPX VITA 78 złącza pasujące

Ponieważ to konkretnie złącze jest montowane przelotowo na płytce drukowanej, musiałbyś zaimplementować wiercenie zwrotne na najszybszych pinach, lub musiałbyś prowadzić ścieżki przez cały układ warstw. Inną opcją jest użycie wiązek boomerang, ale zazwyczaj płyty, w których używane jest to złącze, nie używają warstw budowy HDI ze względu na obawy dotyczące niezawodności.

Dlatego, jeśli złącza montowane przelotowo będą używane do przesyłania sygnałów w szybkich kanałach cyfrowych, upewnij się, że starannie zaplanujesz trasy, aby móc prowadzić sygnały przez cały układ warstw. Tutaj również ważne stanie się planowanie rozmieszczenia pinów, jak zobaczymy za chwilę.

Projektowanie rozmieszczenia pinów dla szybkich połączeń wielopłytowych

Układy wyprowadzeń dla połączeń wielopłytowych obsługujących sygnały wysokiej prędkości muszą zawierać pewne odniesienie do masy między połączeniem płyt. Dotyczy to zarówno bezpośrednich połączeń płytowych, jak i połączeń płyt z kablami. Podobnie jak w przypadku układu warstw PCB, gdzie pewne warstwy przeznaczamy na płaszczyzny masy, chcielibyśmy przeznaczyć pewne piny na masę w układzie wyprowadzeń złącza.

Prostą zasadą jest umieszczanie pinów masy między sygnałami cyfrowymi. Jednym z często pokazywanych przykładów jest inny artykuł na temat trasowania w backplanach, konkretnie backplanach VPX. Poniższy obrazek pokazuje trasowanie par różnicowych do układu wyprowadzeń pracującego z prędkością wielu gigabitów na sekundę. Zwróć uwagę, że to złącze jest pionowo montowanym komponentem przelotowym, a przychodzące ścieżki znajdują się blisko tylnej warstwy, aby pozostawić minimalny pozostały odcinek.

Te piny różnicowe Gbps są prowadzone po przekątnej w tym układzie wyprowadzeń i są od siebie oddzielone masą. Chociaż przez to złącze można przeprowadzić znacznie więcej sygnałów, przeznaczenie wielu pinów na masę jest kluczowe dla tłumienia przeplotu różnicowego i emisji promieniowanej.

Wytyczne dotyczące układu wyprowadzeń

Przestrzegaj tych prostych wytycznych dotyczących projektowania układu wyprowadzeń, aby zapewnić integralność sygnału:

• Używaj przemiennie pinów masowych, gdzie to możliwe
• Umieszczaj pojedyncze piny obok pinów masowych
• W parach różnicowych umieszczaj piny dodatnie i ujemne obok siebie
• Unikaj nakładania się pinów różnicowych na wielu rzędach
• Jeśli są nieużywane piny, połącz je wszystkie z GND

Dlaczego stosujemy przemiennie piny masowe

W powyższych przykładach można zauważyć, że piny sygnałowe są otoczone pinami masowymi. Robi się to z trzech powodów:

• Aby zminimalizować przebicie sygnału między pinami
• Aby ustawić spójną impedancję wejściową w złączu
• Aby tłumić emisje promieniowane od sygnałów
• Aby ograniczyć szum wspólny na pinach różnicowych

To są podstawowe powody, dla których włączamy piny masowe zarówno w połączeniach jednostronnych, jak i różnicowych wchodzących do wielopinowego złącza. Głównym powodem jest zapewnienie masy dla sygnałów jednostronnych, co zredukuje emisje promieniowane i niezależne przebicie sygnału, szczególnie gdy sygnał jest wyprowadzany na kabel. Drugim powodem jest to, że masa jest często potrzebna w kablach, aby ustawić impedancję kabla, co jest prawdą dla standardowych kabli z kablami skręcanymi, takimi jak kable USB.

To samo dotyczy złącz i kabli z sygnałami różnicowymi. Chociaż pary różnicowe są samoodniesieniowe, obecność masy modyfikuje pole elektryczne wokół pary różnicowej, co wpływa na potencjał dla różnicowego przeplotu.

Wprowadzenie linii transmisyjnej

Złącza dla sygnałów wysokiej prędkości mogą nie mieć żadnych konkretnych zaleceń dotyczących wprowadzenia linii transmisyjnej w karcie danych komponentu, gdy ścieżki znajdują się na tej samej warstwie co piny złącza. Złącze będzie miało pewną impedancję wejściową patrząc na Twój kabel lub złącze pasujące, i to musi być dopasowane do impedancji linii transmisyjnej. Zazwyczaj jest to po prostu impedancja 50 omów dla ścieżek jednostronnych lub 100-omowa impedancja różnicowa dla ścieżek różnicowych.

Ważna uwaga dotycząca ścieżek różnicowych: 100-omowa impedancja różnicowa w tym przypadku naprawdę odpowiada 50-omowej impedancji nieparzystej. Jeśli połączenie jest różnicowe, upewnij się, że dopasowujesz do impedancji różnicowej złącza.

Przykład wprowadzenia linii na dwurzędowym złączu o wysokiej gęstości znajduje się poniżej. Na obrazie mamy ścieżki jednostronne i różnicowe.

Na tym obrazie ścieżki sygnałowe, pary różnicowe daleko od złącza są rozstawione, ale ścieżki zbliżają się do siebie podczas wchodzenia do złącza. Jest to odpowiednie, aby zbliżyć je do siebie, gdy trasa wchodzi na piny złącza, tak jak moglibyście to zrobić, wchodząc na piny w układzie scalonym. Inną godną uwagi cechą tego złącza jest centralny kontakt, który jest przydzielony do GND i pozwala na użycie wielu par różnicowych w grupie pinów.

Następnie zauważ, że szerokości ścieżek są podobne do rozmiaru padów. Możliwe jest, aby ścieżka była szersza niż rozmiar pada, ale może być konieczne zwężenie tej ścieżki wchodzącej na pada. Może to być wymagane, ponieważ gdy ścieżki zbliżają się do pinów, możesz naruszyć odstępy, i zwężenie będzie wymagane. Pamiętaj, że są to ścieżki o kontrolowanej impedancji, więc jeśli potrzebujesz węższych ścieżek, będziesz musiał uczynić substrat cieńszym lub użyć wartości wyższej stałej dielektrycznej.

Wreszcie, możemy mieć wprowadzenie ścieżki przez przelotki, i może to być wykonane jako via in pad lub przejście dalej od pinów złącza. W zależności od rozstawu pinów, możesz potrzebować rozstawić przelotki, aby zapobiec błędowi DRC odstępu.

Pamiętajmy, że mamy do czynienia z złączem przystosowanym do sygnałów wysokiej prędkości, więc przejście przez via również musi być celowo zaprojektowane. Celem jest dopasowanie impedancji charakterystycznej via do impedancji wejściowej pinu złącza, tak aby końcowa impedancja wejściowa widziana na via odpowiadała impedancji linii transmisyjnej. Oznacza to odpowiednie dobranie następujących elementów:

• Rozmiar antipadu
• Średnica via
• Rozmiar lądowiska via
• Obecność lub usunięcie NFPs
• Położenie i liczba via zszywających

To jest ogólnie podejście, które stosuje się przy pracy z przejściem jedno- lub różnicowym wymagającym dużej przepustowości kanału. Zaczyna to mieć znaczenie, gdy pracujemy powyżej około 3 GHz, co szczegółowo przedstawiłem w innym artykule.

Analiza łączy wysokiej prędkości z złączami przy użyciu parametrów S

Podobnie jak w przypadku innych szybkich połączeń, parametry S mogą być używane do analizy linii transmisyjnych z złączami i kablami jako częścią połączenia. Oczywiście możliwe jest zbudowanie całej geometrii połączenia, używając modelu 3D korpusu złącza, a nawet modelu 3D kabla; następnie użyłbyś solvera pola elektromagnetycznego 3D do określenia parametrów S dla całego łącza. Oczywiście jest to zadanie bardzo czasochłonne, które wymaga dużej mocy obliczeniowej oraz specjalistycznego oprogramowania.

Na szczęście, dostawcy złącz, którzy oferują swoje produkty do użytku w szybkich połączeniach cyfrowych lub połączeniach RF o wysokiej częstotliwości, często dostarczają dane parametrów S dla swoich produktów w plikach Touchstone. Możesz wtedy użyć danych dostawcy złącz do stworzenia liniowego modelu sieci dla połączenia, a następnie określić kaskadowe parametry S.

Narzędzia analityczne takie jak Simbeor, MATLAB i Keysight ADS mogą następnie określić skaskadowane parametry S dla tego modelu. Dzięki temu można poznać transmisję mocy i straty na całej długości połączenia. Teraz można przewidzieć, jak łącze będzie funkcjonować na podstawie innych parametrów w projekcie, które można kontrolować, zwłaszcza projekt linii transmisyjnej i projekt wejścia złącza. W tej sieci muszą być znane parametry S dla każdej indywidualnej sekcji, a następnie symulator może obliczyć skaskadowaną sieć i jej parametry S.

Co w przypadku odwrotnego problemu, gdy nie zna się parametrów S złącza? W takim przypadku konieczne byłoby użycie pomiarów do wyeliminowania parametrów S dla złącza. W tym przypadku złącze stanowi DUT (Device Under Test) w liniowej sieci, a parametry S złącza są określane z skaskadowanych parametrów S sieci przy użyciu metody de-embedding. Te same programy analityczne wymienione powyżej mogą również być użyte do wyeliminowania parametrów S dla złącza, pod warunkiem że znane są parametry S dla innych komponentów w liniowej sieci.

Aby dowiedzieć się więcej, obejrzyj poniższy film od Bena Jordana.