Советы по проектированию высокоскоростных шин и размещению элементов на печатных платах

Если вам нужно соединить несколько плат в единую систему и обеспечить между ними взаимосвязь, вы, скорее всего, будете использовать магистральную плату для организации этих плат. Магистральные платы - это продвинутые платы, которые заимствуют некоторые элементы из высокоскоростного дизайна, механического дизайна, дизайна для высокого напряжения/высокого тока и даже РЧ-дизайна. Эти платы часто используются в критически важных системах обороны, телекоммуникационных системах и центрах обработки данных. Они имеют свой набор стандартов, который выходит за рамки требований к надежности в IPC.

Хотя магистральные платы следуют определенным стандартам, не встречающимся во многих других печатных платах, концепции, связанные с компоновкой и трассировкой, знакомы многим разработчикам печатных плат. Большое количество разъемов и сетей, а также ограниченное пространство на типичной магистральной плате, могут сначала показаться сложными. Тем не менее, некоторые простые стратегии могут помочь вам оставаться организованными и завершить дизайн магистральной платы, обеспечивая при этом высокую надежность. Я надеюсь, что вы узнаете некоторые стратегии для подхода к вашему следующему дизайну магистральной платы с точки зрения трассировки и компоновки для баланса между надежностью и целостностью сигнала. Без лишних слов, давайте погрузимся в эту богатую область дизайна печатных плат.

Начало работы с дизайном магистральной платы

Есть несколько подходов к началу работы с дизайном, компоновкой и трассировкой бэкплейнов. Эти проекты могут быть сложными, поскольку вам может потребоваться управление тысячами соединений на большой плате с ограниченным пространством и количеством слоев. Более того, бэкплейны могут быть задействованы в подаче питания на дочерние карты, и каждая дочерняя карта может потреблять несколько ампер тока через различные устройства высокой скорости. Это означает, что ваш бэкплейн может потребоваться поддерживать ~100 А тока.

Поскольку основная функция бэкплейна заключается в обеспечении соединений между несколькими платами в большой системе, все вращается вокруг используемых вами разъемов, и именно с них начинается ваш дизайн. Вот некоторые из основных задач, связанных с дизайном бэкплейна:

1. Распиновка: Первый шаг - определение распиновки на ваших разъемах для поддержки требуемой топологии трассировки. Я подробнее остановлюсь на этом пункте ниже.
2. Механические требования: В дополнение к правильной установке разъемов дочерних плат, используются направляющие штифты для обеспечения правильного соединения и структурной целостности. Изображение внизу этого списка показывает типичный направляющий штифт, используемый с разъемами бэкплейна.
3. Выбор материала: Для высокоскоростных бэкплейнов это критический момент в процессе проектирования. Поскольку бэкплейны могут быть довольно большими, любой сигнал, который должен проходить через всю плату, может испытывать значительные потери. Ламинаты с низкими потерями и плотным стекловолокном необходимы для минимизации потерь вставки на длинных соединениях. Некоторые примеры, которые полезны для многогигабитных бэкплейнов, - это ламинаты Rogers и Megtron.
4. Стратегия питания и заземления: Для бэкплейнов, которым необходимо передавать высокую мощность на большое количество дочерних плат, вам понадобится стратегия питания и заземления, которая поможет поддерживать низкую температуру. Расположение слоев земли/питания на разных слоях платы также должно обеспечивать изоляцию для высокоскоростных сигналов, прокладываемых по плате.
5. Количество слоев: Количество слоев, которое вам понадобится в вашем бэкплейне, будет зависеть от количества слоев платы, а также от количества слоев сигналов, которые вам понадобятся. Бэкплейн может иметь до 24 слоев и быть толщиной в несколько мм, чтобы удовлетворить все требования к дизайну.

Вышеупомянутые пункты являются теми же самыми, которые вам нужно будет учитывать при любом другом проектировании высокоскоростных устройств. Однако, когда вы работаете над бэкплейном, ситуация немного меняется, поскольку распиновка вашего соединителя будет ограничивать трассировку. Это важная часть проектирования бэкплейна и должна быть тщательно спланирована.

Всё зависит от соединителей, распиновки и трассировки

На начальных этапах проектирования большое внимание уделяется соединителям в вашем бэкплейне. Выбор соединителей, включая соединители для бэкплейнов, является столько же искусством, сколько и наукой, и эти соединители будут играть ключевую роль в обеспечении целостности сигнала. Симуляции очень важны для обеспечения того, чтобы сигналы не деградировали слишком сильно на интерфейсах соединитель-дорожка.

Распиновка ваших соединителей также критична, поскольку она поможет облегчить трассировку на каждом слое. В частности, ваша распиновка должна достигать двух целей:

• Она должна быть разработана так, чтобы предотвратить пересечение сигналов на данном слое, когда сигналы трассируются ко всем соединителям на шине бэкплейна. Если это сделано правильно, вы, вероятно, сможете исключить несколько слоёв сигналов.
• В идеале, трассировка должна быть плавной по всему бэкплейну (в основном горизонтальной), когда достигаются контакты каждого соединителя.

Вещи лучше всего делать последовательно, построчно, как показано на примере трассировки дифференциальной пары ниже. Обратите внимание, как контакты на каждом разъеме смещены в каждом столбце, что позволяет дорожкам дифференциальной пары проходить между рядами контактов разъема. Если бы все контакты были в одном столбце, мне бы потребовалось 2 слоя для трассировки, показанной ниже, вместо 1.

Учитывая все эти требования к дизайну, мне было сложно сбалансировать их все в моей первой магистральной плате, и мы даже не выполнили первоначальное расположение компонентов. У вас не будет много свободы в плане расположения компонентов, но вы можете поддерживать порядок при трассировке сигналов через магистральную плату, если ваше распиновка организована и последовательна на всех ваших разъемах. Некоторые другие советы, которые помогут вам добиться успеха, включают:

• Минимизируйте переходы через переходные отверстия на высокоскоростных сигналах. Каждое переходное отверстие добавляет потери вставки в межсоединение, и потери вставки нужно свести к минимуму насколько это возможно.
• Высверливайте переходные отверстия высокой скорости. Высверливание увеличивает стоимость, но минимизирует дисконтинуитеты огрызков на длинных линиях передачи.
• Не бойтесь использовать заземляющий полигон.Использование заземляющего слоя способствует изоляции между различными группами высокоскоростных трасс, обеспечивает постоянный профиль импеданса и помогает обеспечить достаточное количество проводников для высоких обратных токов.
• Превратите все неиспользуемые сигнальные слои в слои плоскостей. Если вы подаете питание через вашу заднюю панель, не бойтесь добавить дополнительный слой питания в стек слоев. Разделение тока между несколькими слоями питания помогает охлаждать вашу сеть распределения питания (PDN).

Дизайн задней панели - это не для слабонервных, поскольку он требует множества специальностей для успеха. Однако, если у вас есть правильная команда дизайнеров и полный набор инструментов для проектирования, вы можете пройти через большинство аспектов процесса проектирования на одной платформе. Altium Designer® - единственная программа, которая предоставляет вам полный набор инструментов для проектирования планировки, трассировки, целостности сигнала, производства и многого другого. Вы сможете завершить дизайн вашей задней панели и подготовить его к производству в одной программе.

Как только вы будете готовы отправить завершенный дизайн бэкплейна на производство, вы можете поделиться данными вашего проекта на платформе Altium 365. Мы только начали затрагивать то, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.