Симуляция импеданса штриховой земляной плоскости в гибких печатных платах

Гибкие печатные платы (PCB) и жестко-гибкие печатные платы могут передавать высокоскоростные сигналы, некоторые из которых требуют контролируемого импеданса. Реализация контролируемого импеданса на гибкой печатной плате не является легкой задачей по нескольким причинам. Если вы выбираете путь контролируемого импеданса, где производитель тестирует импеданс и корректирует стек, у вас редко есть свобода действий, поскольку это может заставить толщину гибкого слоя быть слишком толстой или слишком тонкой. Если вы выберете путь контролируемого диэлектрика, структура земляного слоя делает неприменимыми типичные модели для импеданса, поэтому очень сложно определить подходящий импеданс.

К сожалению, это означает, что вам придется использовать некоторые симуляции или тестовые данные для определения импеданса одиночных трасс и дифференциальных пар на гибких печатных платах. Не все производители могут предоставить эти данные, или, если у них есть эти данные, они могут не делать их публично доступными. Когда речь идет о дифференциальных парах, расстояние также будет критическим фактором, определяющим импеданс вдоль соединения.

В этой статье, вдохновленной работой Лукаса Хенкеля, я представлю краткий набор результатов симуляции и рабочий процесс, который можно использовать для определения импеданса трасс на штрихованных земляных плоскостях.

Мотивация для симуляции импеданса штрихованных земляных плоскостей

Недавно мы провели повторное интервью с Лукасом Хенкелем, где обсудили некоторые аспекты его прогресса в проекте Открытого Ноутбука. Этот проект включал в себя создание материнской платы, а также периферийных устройств для открытого ноутбука, одним из которых является веб-камера, расположенная в верхней части дисплея. Посмотрите наш видеоролик с интервью, чтобы узнать больше, или посмотрите полный эпизод на YouTube.

Ссылаясь на часть дизайна с веб-камерой в этом клипе, веб-камера подключается к материнской плате с помощью гибкой печатной платы. Для передачи данных с камеры на ЦПУ требуется высокоскоростная последовательная связь. Для этого используется MIPI CSI-2, высокоскоростной дифференциальный интерфейс, который передает серийные данные по четырем параллельным линиям с дифференциальными тактовыми сигналами, синхронизированными с источником. Всего это обеспечивает до пяти дифференциальных пар, работающих между камерой и материнской платой.

Маршрутизация CSI-2 по 4 линиям данных и линии тактового сигнала, синхронизированного с источником. Оба следа в каждой дифференциальной паре требуют настройки длины, и дифференциальные пары должны быть согласованы в пределах этой группы.

Поскольку это дифференциальный интерфейс, пожалуйста, используйте дифференциальные пары, требующие контроля импеданса до 100 Ом. На жесткой печатной плате это будет довольно просто. Используйте менеджер стека слоев и Altium Designer или другой симулятор, чтобы быстро получить безпотерьный импеданс на основе поперечного сечения стека. На гибкой печатной плате это не так просто, потому что гибкие печатные платы используют штрихованную земляную плоскость. Теперь давайте кратко рассмотрим теорию, объясняющую, почему это так. Затем мы можем показать некоторые результаты симуляции для гибкой ленты Лукаса, которые подробно описывают дифференциальный импеданс и дифференциальные S-параметры.

Коэффициент заполнения является критическим параметром, определяющим импеданс

При оценке импеданса медного соединения на гибкой печатной плате со штрихованной земляной плоскостью одним из инструментов, которые мы можем использовать для понимания происходящего в соединении, является входной импеданс. Если посмотреть на структуру штрихованной земляной плоскости, то в штриховке есть участки, откуда медь удалена, обычно квадратной или ромбовидной формы, и эту область можно определить как некоторую долю повторяющихся элементов площади, составляющих штрихованную земляную плоскость. Я назвал эту долю "коэффициентом заполнения", который может быть определен, как показано на изображении ниже.

Теперь давайте проложим дорожку через различные области вышеописанной структуры; некоторые участки дорожки будут проходить над сплошной медью, в то время как другие участки будут прокладываться через область с удаленной медью. Изменяющееся присутствие земли рядом с дорожкой повлияет на импеданс и, следовательно, на целостность сигнала на этих маршрутах. Вдоль длины дорожки мы ожидаем вариации высокого и низкого импеданса, которые будут функцией расстояния от дорожки до меди.

Поскольку у нас есть вариация импеданса вдоль длины маршрута, структура является периодически каскадной линией передачи. Я не видел хороших источников в научной литературе, специфически описывающих этот тип структуры, хотя я упоминаю о нем в этой статье. В любом случае, на каждом участке есть входной импеданс, который может быть выражен через следующий участок линии передачи:

Проще говоря, если вы знаете характеристическое сопротивление каждого из участков линии передачи, вы могли бы получить разумную оценку параметров S с помощью индуктивного расчета, и это было бы достаточно просто для выполнения в скрипте Python или в Excel. Например, если вы знаете сопротивление над медью и в области штриховки, можно предположить, что вы могли бы использовать вышеупомянутое уравнение итеративно для оценки коэффициента отражения (S11) на входном порту.

Я бы предположил, что этот метод более точен, чем попытка предположить наличие сплошной плоскости, а затем применение какого-либо поправочного коэффициента, но я думаю, это тема для дальнейшего изучения. В любом случае, как только у вас будет оценка одиночного или дифференциального сопротивления над штрихованной земляной плоскостью, вам в конечном итоге потребуется подтвердить это, и для этого потребуется 3D-симуляция.

3D-симуляции штрихованных земляных плоскостей

Для более полной оценки производительности соединений на штрихованной земляной плоскости мы будем использовать гибкую ленту, показанную ниже, предоставленную Лукасом Хенкелем для открытого ноутбука. Ниже представлено 3D-изображение гибкой ленты и трассировки в двух областях, а также группы трасс в каждой области.

Слой 1:

Слой 2:

Во-первых, для получения некоторых значений характеристического импеданса в каждом участке используется анализатор соответствия в Simbeor, который позволяет получать импедансы на основе поперечных сечений следов. Были исследованы и сравнены два региона. В прямом участке, идущем непосредственно от разъема камеры, импеданс однопроводных линий, кажется, демонстрирует гораздо меньшие вариации; импеданс варьируется от 30 до 40 Ом вдоль прямых участков. В изогнутом участке гибкого кабеля вариация импеданса намного больше с характеристическим импедансом от 30 до 60 Ом.

Широкая ширина линии (W/H = 4) создает регионы с очень низким нечетным импедансом над медью, в то время как регионы между медными дорожками гораздо ближе к целевым 50 Ом. Точная вариация, кажется, составляет примерно 28-62 Ома, или в среднем 45 Ом нечетного импеданса. Дифференциальный импеданс составляет примерно 78 Ом с некоторой вариацией.

Прямой участок:

Изогнутый участок:

Исходя из того, что мы уже видим, вдоль линии связи есть некоторые большие отклонения импеданса, хотя они малы по своей длине, поэтому мы ожидаем некоторое преобразование режима вдоль этой линии. Полная матрица S-параметров для этой линии расскажет нам о потерях и преобразовании режима, и результаты показаны в следующем разделе.

Результаты S-параметров CSI-2

Теперь давайте посмотрим на S-параметры для линии CSI-2, поскольку она контролируется по импедансу. Исходя только из значений импеданса поперечного сечения, показанных выше, становится довольно неясно, каким будет фактический коэффициент возврата потерь по всей длине соединения. Поэтому мы проводим симуляцию S-параметров для этой геометрии, чтобы определить потери возврата до очень высоких частот. Ниже приведено изображение результатов для выделенной выше линии CSI-2.

Потери возврата находятся в приемлемых пределах, требуемых для линии CSI-2; потери на вставке довольно низкие в пределах полосы пропускания канала благодаря ширине следов, но резко уменьшаются за пределами полосы пропускания. Одна из проблем здесь заключается в преобразование режима, в частности SCD21 (нижний правый график), что ожидаемо учитывая разрывную природу штрихованной земляной плоскости. Эта связь имеет значительное преобразование режимов, которое необходимо проверить на соответствие лимитам MIPI C-PHY.

Если вы хотите улучшить результаты по возвратным потерям и потерям вставки, вам нужно будет отрегулировать коэффициент заполнения и расстояние для дифференциальной связи. Затем вам нужно будет снова провести симуляцию и проверить, улучшились ли S-параметры. Смотрите раздел рабочего процесса ниже для получения дополнительной информации.

Резюме результатов и рабочего процесса

Для наших целей, когда мы просто смотрим на трассировку дорожек на печатной плате, этот результат приемлем. На самом деле, S-параметры для полного соединения будут зависеть от несоответствия импеданса на интерфейсах кабеля, входящих в разъемы. Чтобы расширить симуляцию за пределы показанного выше, нам нужно будет выполнить следующее:

1. Экспортировать файл Touchstone S-параметров для этой связи.
2. Получить файлы Touchstone для разъемов на каждом конце.
3. Получить файл Touchstone для связи, ведущей к процессору и чипу камеры.
4. Добавить все эти элементы в линейную сетевую модель.
5. Определить S-параметры для всей каскадной сети.
6. В зависимости от этих результатов, может потребоваться корректировка коэффициента заполнения для штрихованной земли под дифференциальной парой CSI-2.
7. Повторять итерации.

Описанный выше процесс иллюстрирует рабочий процесс, который должен быть реализован для определения импеданса трассы для линии CSI-2. Из-за отсутствия точных аналитических результатов, которые могли бы использоваться для прогнозирования импеданса трассы над штрихованной земляной плоскостью, необходимо начать с оценки, основанной на коэффициенте заполнения, а затем итеративно пройти через некоторые вариации, чтобы получить подходящий импеданс трассы. Я предлагаю следующий рабочий процесс:

1. Начать с предложенного дизайна штриховки и рассчитать коэффициент заполнения.
2. Рассчитать два дополнительных коэффициента заполнения для использования в качестве вариаций.
3. Спроектировать небольшую тестовую плату с этими вариациями и симулировать S-параметры для каждой.
4. Изучить результаты S-параметров и выбрать наилучший коэффициент заполнения.
5. Для дифференциальных пар проверить результат и определить, следует ли корректировать расстояние для увеличения или уменьшения дифференциального импеданса.
6. Симулировать модифицированную дифференциальную связь и проверить S-параметры.
7. Повторять итерации.

С этими тремя симуляциями, и возможно четвертой, основанной на корректировке расстояния между парами дифференциальных линий, вы могли бы прийти к работоспособному дизайну соединения всего за четыре симуляции с общим временем симуляции около 8 часов. Это достаточно быстро, чтобы завершить за один день.

Чтобы предоставить больше информации о производительности однопроводных и дифференциальных соединений над штрихованными земляными плоскостями в гибких печатных платах, я планирую провести более масштабное исследование геометрии. Это будет включать в себя изменение множества параметров коэффициента заполнения и определение, какой геометрический параметр является наиболее эффективным оценщиком для однопроводной и дифференциальной импедансии. Обязательно следите за этой серией блогов для получения дополнительных обновлений.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную электронику мощности или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в сегодняшней междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.