Dicas de Design de Backplane de Alta Velocidade e Layout de PCB

Se você precisa conectar múltiplas placas em um sistema maior e fornecer interconexões entre elas, provavelmente usará um backplane para organizar essas placas. Backplanes são placas avançadas que incorporam alguns elementos do design de alta velocidade, design mecânico, design de alta tensão/corrente elevada, e até mesmo design RF. Essas placas são frequentemente usadas em sistemas de defesa críticos para a missão, sistemas de telecomunicações e centros de dados. Eles carregam seu próprio conjunto de padrões que vão além dos requisitos de confiabilidade em IPC.

Embora os backplanes sigam padrões particulares não vistos em muitas outras PCBs, os conceitos envolvidos no layout e roteamento são familiares para muitos designers de PCB. Um grande número de conectores e redes, e o espaço limitado em um backplane típico, podem parecer desafiadores à primeira vista. Ainda assim, algumas estratégias simples podem ajudá-lo a se manter organizado e completar um design de backplane garantindo alta confiabilidade. Minha esperança é que você aprenda algumas estratégias para abordar seu próximo design de backplane em termos de roteamento e layout para equilibrar confiabilidade e integridade de sinal. Sem mais delongas, vamos mergulhar nesta rica área do design de PCB.

Introdução ao Design de Backplane

Existem múltiplos ângulos a considerar ao iniciar o design, layout e roteamento de backplanes. Esses projetos podem ser difíceis porque você pode se encontrar gerenciando milhares de conexões em uma placa grande com espaço e número de camadas limitados. Além disso, os backplanes podem estar envolvidos na própria fornecimento de energia para as daughtercards, e cada daughtercard pode estar consumindo múltiplos Ampères de corrente através de uma variedade de dispositivos de alta velocidade. Isso significa que seu backplane pode precisar suportar ~100 A de corrente.

Uma vez que a função primária de um backplane é fornecer conexões entre múltiplas placas em um sistema maior, tudo gira em torno dos conectores que você usará, e estes conectores são onde seu design começa. Aqui estão algumas das tarefas básicas envolvidas no design de backplanes:

1. Pinagem: O primeiro passo é determinar a pinagem nos seus conectores para suportar a topologia de roteamento requerida. Eu entrarei mais nesse ponto abaixo.
2. Requisitos mecânicos: Além do posicionamento adequado dos conectores da daughtercard, pinos guia são usados para garantir o acoplamento correto e a integridade estrutural. A imagem no final desta lista mostra um pino guia típico usado com conectores de backplane.
3. Seleção de material: Para backplanes de alta velocidade, este é um ponto crítico no processo de design. Como os backplanes podem ser bastante grandes, qualquer sinal que precise atravessar todo o plano pode experimentar uma perda significativa. Laminados de baixa perda com tecido de vidro apertado são necessários para ajudar a minimizar a perda de inserção em interconexões longas. Alguns exemplos úteis para backplanes multi-gig são laminados Rogers e Megtron.
4. Estratégia de alimentação e aterramento: Para backplanes que precisam fornecer alta potência para um grande número de placas filhas, você precisará de uma estratégia de alimentação e aterramento que ajude a manter a temperatura baixa. O arranjo das camadas de terra/energia em diferentes camadas do plano também deve fornecer isolamento para sinais de alta velocidade sendo roteados ao redor da placa.
5. Contagem de camadas: O número de camadas que você precisa no seu backplane dependerá da contagem de camadas do plano, bem como do número de camadas de sinal que você precisará. Um backplane pode ter até 24 camadas e ser vários mm de espessura para acomodar todos os requisitos de design.

Os pontos acima são os mesmos que você precisaria considerar em qualquer outro design de alta velocidade. No entanto, as coisas ficam um pouco diferentes quando você está trabalhando em um backplane, pois o layout dos pinos do conector irá restringir o roteamento. Isso é uma grande parte do design de backplane e deve ser planejado cuidadosamente.

É Tudo Sobre Conectores, Layout de Pinos e Roteamento

Muito do foco nas etapas iniciais do design estará nos conectores do seu backplane. A seleção de conectores, incluindo para conectores de backplane, é tanto uma arte quanto uma ciência, e esses conectores serão determinantes importantes para a integridade do sinal. Simulações são bastante importantes para garantir que os sinais não se degradem excessivamente nas interfaces conector-trilha.

O layout dos pinos nos seus conectores também é crítico, pois facilitará o roteamento em cada camada. Em particular, seu layout de pinos deve cumprir dois objetivos:

• Deve ser projetado para evitar que sinais em uma dada camada se cruzem enquanto são roteados para todos os conectores no barramento do backplane. Se feito corretamente, você provavelmente poderá eliminar algumas camadas de sinal.
• Idealmente, o roteamento deve ser fluido em todo o backplane (tudo substancialmente horizontal) à medida que os pinos em cada conector são alcançados.

As coisas são melhor feitas de maneira linha por linha, similar ao roteamento de pares diferenciais que mostrei abaixo. Note como os pinos em cada conector são escalonados em cada coluna, o que permite que as trilhas no par diferencial passem entre as linhas de pinos do conector. Se todos os pinos estivessem na mesma coluna, eu precisaria de 2 camadas para fazer o roteamento mostrado abaixo, em vez de 1.

Dado todos esses requisitos de design, achei difícil equilibrá-los todos no meu primeiro backplane, e nem sequer fizemos o arranjo inicial dos componentes. Você não terá muita liberdade em termos de arranjo de componentes, mas pode manter as coisas organizadas à medida que roteia sinais através do backplane, desde que seu pinout seja organizado e consistente em seus conectores. Algumas outras dicas para ajudá-lo a ser bem-sucedido incluem:

• Minimizar transições de vias em sinais de alta velocidade. Cada via adiciona perda de inserção a um interconect, e a perda de inserção precisa ser minimizada tanto quanto possível.
• Fazer backdrill em transições de vias de alta velocidade. O backdrilling adiciona custo, mas minimiza descontinuidades de stub em linhas de transmissão longas.
• Não tenha medo de usar preenchimento de terra.Usar preenchimento de terra ajuda na isolamento entre diferentes grupos de trilhas de alta velocidade, garante perfis de impedância consistentes e ajuda a fornecer bastante condutor para altas correntes de retorno.
• Faça com que todas as camadas de sinal não utilizadas se tornem camadas de plano. Se você está fornecendo energia através do seu backplane, não tenha medo de adicionar uma camada de plano de energia extra na pilha de camadas. Dividir a corrente entre múltiplos planos de energia ajuda a manter sua PDN (Rede de Distribuição de Energia) fria.

O design de backplane não é para os fracos de coração, pois requer múltiplas especialidades para sucesso. No entanto, se você tem a equipe certa de designers e um conjunto completo de ferramentas de design, você pode passar pela maioria dos aspectos do processo de design em uma única plataforma. Altium Designer é o único programa que oferece um conjunto completo de ferramentas de design para layout, roteamento, integridade de sinal, fabricação e muito mais. Você será capaz de completar seu design de backplane e prepará-lo para produção em um único programa.

Uma vez que esteja pronto para enviar um projeto de backplane concluído para fabricação, você pode compartilhar seus dados de projeto na plataforma Altium 365. Apenas começamos a explorar o que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais detalhada das funcionalidades ou um dos Webinars Sob Demanda.