Дебаты о "правилах большого пальца" и руководящих принципах разводки печатных плат продолжаются

На сегодняшний день я все еще вижу множество "правил большого пальца" для разводки печатных плат, которые впервые стали общепринятыми почти 20 лет назад. Применимы ли эти правила универсально? Ответ - твердое "может быть". Многие дискуссии, которые вы можете увидеть на форумах относительно правил проектирования печатных плат, скатываются к дискуссиям типа всегда/никогда, заставляя некоторых дизайнеров использовать или игнорировать общепринятые правила в ситуациях, где они могут не применяться. В некоторых случаях это не приведет к отказу платы. Как говорят некоторые ветераны проектирования печатных плат, плата может работать просто случайно.

Обсуждение правил разводки печатных плат не в том, правильные эти правила или нет. Проблема в том, что обсуждение этих правил часто происходит без контекста, что приводит к дискуссиям типа всегда/никогда, которые можно увидеть на некоторых популярных форумах. Моя цель в этой статье - донести контекст за общепринятыми правилами проектирования печатных плат. Надеюсь, это поможет понять, когда эти различные правила применимы и когда от них следует избегать.

Общие правила разводки печатных плат

Не будем тянуть, давайте разберем некоторые общие правила разводки печатных плат и посмотрим, сможем ли мы предоставить полезный контекст за этими правилами проектирования.

Ортогональная трассировка

Я обсуждал это конкретное эмпирическое правило в недавней статье, поэтому здесь я повторю только важные моменты. Правило ортогональной трассировки утверждает, что дорожки на соседних слоях сигналов должны быть проложены в перпендикулярных направлениях, чтобы исключить индуктивную перекрестную помеху между дорожками на этих соседних слоях. На высоких частотах вы обнаружите, что начинает доминировать емкостная перекрестная помеха, вызывая токовые всплески между ортогональными дорожками.

При низком времени нарастания и низких частотах (менее нескольких ГГц) значительной емкостной перекрестной помехи между ортогональными дорожками на соседних слоях не будет. На высоких частотах в платах РЧ (несколько десятков ГГц), резонансы полостей в тканевом основании и между незаземленными проводящими структурами создадут сильные электромагнитные резонансы на определенных частотах. Это может затем вызвать сильную перекрестную помеху между слоями сигналов, даже если дорожки в каждом слое проложены ортогонально.

Лучший выбор на любой частоте - это просто разделить сигнальные слои с помощью плоскостей. Это особенно актуально для современных печатных плат, которые работают на высоких скоростях переключения/частотах, просто из-за логических семейств, используемых в современных интегральных схемах. Если вы подозреваете, что сможете обойтись, используя ортогональное трассирование сигналов, вам все равно следует провести базовую симуляцию перекрестных помех с ортогональными трассами и проверить, не превысит ли перекрестная помеха ваш порог шума. Также обязательно тщательно спланируйте ваш путь возврата, поскольку это одна из основных проблем при ортогональном трассировании сигналов.

Терморазгрузочные переходные отверстия

Это один из тех классических споров типа "всегда/никогда". Один конструктор скажет, что он никогда не использует терморазгрузочные переходные отверстия и у него никогда не было проблем с пайкой или сборкой. Тем временем, другой конструктор заявит, что терморазгрузочные переходные отверстия всегда следует использовать на каждом соединении с плоскостью. Так кто же прав?

Обе стороны правы в разных ситуациях. Если вы паяете вручную, вы можете увеличить температуру паяльника, чтобы компенсировать рассеивание тепла в слой планара. В противном случае, если ваша сборочная линия будет использовать волновую пайку, вам понадобятся терморельефные переходные отверстия, чтобы предотвратить смещение компонентов, холодные соединения и тумбстоунинг. На мой взгляд, лучше сразу использовать термовиасы, несмотря ни на что.

Правильный угол трассировки

Это правило, наверное, единственное, которое все любят ненавидеть. До сих пор я вижу, как дизайнеры утверждают, что правоугольные трассы никогда не должны использоваться ни при каких обстоятельствах. Причины включают в себя абсурдные, такие как электроны не могут совершить поворот на 90 градусов на углу трассы, тем не менее, эти же дизайнеры игнорируют повороты на 90 градусов на переходных отверстиях. Причины также практические, например, более короткую трассу можно проложить с двумя поворотами на 45 градусов по сравнению с двумя поворотами на 90 градусов. Другие объяснения этого правила утверждают, что внешняя сторона всех поворотов на 90 градусов должна быть скошена. Также есть проблема кислотных ловушек, хотя это не является проблемой с современными щелочными травителями.

Если вы не работаете на частотах 50 ГГц и выше (на данный момент это только сообщество радаров миллиметрового диапазона/5G), вам не придется беспокоиться о трассировке под прямым углом. Фактически, вы можете проводить трассировку под любым углом, как вам нравится, сохраняя при этом контроль импеданса на всем протяжении соединения. Этот процесс становится чрезвычайно простым, когда инструменты трассировки печатной платы интегрированы с решателем электромагнитного поля.

Размещение на ПП: Правило «3W»

На самом деле это относится к трем правилам. Первая версия правила 3W гласит, что расстояние между соседними дорожками должно быть как минимум в 3 раза больше ширины дорожек. Цель состоит в том, чтобы минимизировать магнитный поток между дорожками. Логика утверждает, что минимизация магнитного потока между дорожками таким образом минимизирует индуктивную перекрестную помеху.

Те вариации этого правила, которые я видел, кажется, игнорируют тот факт, что сила индуктивной перекрестной помехи пропорциональна индуктивности петли агрессора и жертвенной дорожки, которая, в свою очередь, пропорциональна площади, охватываемой обеими дорожками. Если индуктивность петли и площадь, охватываемая каждой дорожкой, сделаны меньше, то дорожки могут быть размещены на расстоянии меньше, чем 3W. Как и в случае с ортогональной трассировкой, вы должны провести базовую симуляцию перекрестных помех, изменяя расстояние между вашими дорожками.

Другая интерпретация правила 3W проявляется в маршрутизации "пилообразным" способом для согласования длин. Это правило является верхним пределом размера секции "пилы", которое предназначено для минимизации разрывов импеданса в этих структурах согласования длин. Подробнее об этой версии правила 3W можно прочитать в этой недавней статье.

Наконец, третья интерпретация этого правила связана с расстоянием между микрополосками и близлежащим медным заливом или между стриплайнами и близлежащим медным заливом. Это правило разделения утверждает, что расстояние между дорожкой и медным заливом должно быть как минимум в 3 раза больше ширины дорожки, чтобы предотвратить изменение импеданса меди близлежащим заливом.

Как я обсуждал в недавней статье и показал на простых симуляциях, это правило слишком консервативно. Хотя следование этому правилу не обязательно навредит вашему дизайну или вызовет проблемы с целостностью сигнала, вы определенно можете нарушить это правило до определенной степени. Точная степень, в которой вы можете нарушить это правило, зависит от соотношения ширины дорожки к толщине слоя, а также от диэлектрической постоянной субстрата. Посмотрите связанную статью, чтобы узнать, как это можно рассчитать. Если вы не настроены рассчитывать минимальное расстояние, которое вы можете установить в ваших стриплайнах или микрополосках, вы можете придерживаться правила 3W, чтобы быть в безопасности.

Правило ‘20H’

Это правило определяет расстояние, на которое земляная плоскость должна простирается под питающей плоскостью на печатной плате. Сначала вы должны разместить питающую плоскость рядом с ее земляной плоскостью в современной печатной плате, чтобы обеспечить достаточную межплоскостную емкость и уменьшить пульсации питающей шины на высокоскоростных платах.

Некоторые экспериментальные исследования по этому вопросу показывают смешанные результаты. Согласно одному исследованию, излучение РЧ от краевых полей на частотах менее примерно 300 МГц может быть снижено на ~5 дБмкВ/м, если следовать правилу 20H. На более высоких частотах, соответствующих вынужденным резонансам в структуре волновода земляной плоскости-плоскости питания, результаты сильно отличаются. Излучение РЧ подавляется на некоторых частотах, но увеличивается на других, независимо от того, следовали ли правилу 20H. По сути, следование правилу 20H просто изменяет резонансные частоты, все из которых находятся в диапазоне ГГц.

Вот вердикт: если полоса пропускания ваших сигналов ниже диапазона ГГц, тогда вам вполне можно использовать правило 20H. В противном случае, кажется, что универсальной выгоды нет; подавление излучения РЧ от краевых полей зависит от полосы пропускания сигнала, независимо от того, следуете ли вы правилу 20H или нет.

Дополнительное чтение о правилах размещения на печатных платах

Ознакомьтесь с другими статьями о правилах проектирования печатных плат:

• Топ-5 правил проектирования печатных плат, которые должен знать каждый разработчик ПП
• 7 распространенных заблуждений о проектировании печатных плат
• Самый худший совет, который мы когда-либо слышали о проектировании печатных плат

Независимо от того, какие правила компоновки печатных плат или стандарты отрасли важны для вашего проекта, вы можете определить их как правила проектирования в Altium Designer. Единая среда проектирования в Altium Designer интегрирует ваши данные проекта с инструментами трассировки и компоновки, а ваши инструменты проектирования будут проверять вашу плату на соответствие вашим правилам проектирования по мере создания компоновки. У вас также будет полный набор инструментов для проведения симуляций целостности сигналов и подготовки вашего нового продукта к производству.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для компоновки, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.