Проектирование высокоскоростных печатных плат: Насколько же быстро это быстро?

Как отмечалось в нескольких предыдущих блогах, в наши дни термин "высокоскоростная печатная плата" стал практически повсеместным в нашей отрасли. И, как уже упоминалось, мы всегда говорим, что независимо от конечного продукта или реализации, каждая печатная плата является высокоскоростной благодаря технологии интегральных схем, включенных в нее. Несколько лет назад мы начали говорить, что важны скорости переходных процессов компонентов, или, точнее, взаимосвязи между краями компонентов и платами. Именно так мы пришли к названию нашего бизнеса, Speeding Edge. Это слияние терминов "передний край" и "высокоскоростные скорости переходных процессов", как это демонстрируется взаимосвязями компонентов на печатных платах.

Стоит вернуться к тому, что означает эволюция термина "высокая скорость" и как она изменилась за годы. В этой статье будет обсуждаться история высокоскоростных печатных плат, что мы действительно имеем в виду, когда говорим, что устройство печатной платы является высокоскоростным, и некоторые правила, которые неправильно применяются к процессу проектирования высокоскоростных печатных плат. Также будут обсуждены ценные ресурсы, касающиеся информации о принципах высокоскоростного проектирования.

Рождение и эволюция высокоскоростных печатных плат

Высокоскоростные печатные платы на самом деле существуют уже давно, начиная с мейнфреймов, разработанных и построенных такими компаниями, как IBM и Cray. Но это была довольно изолированная ниша по сравнению с остальной частью индустрии печатных плат. Для остального мира высокая скорость стала вопросом, вызывающим беспокойство, в начале 80-х, когда TTL стал достаточно быстрым, и пути стали длинными. И вот как мы определяем высокую скорость в отношении целостности сигнала; печатная плата считается высокоскоростной, когда пути сигнала длинные по отношению к времени нарастания, и путь становится длинным, когда сигнал может отразиться от открытого конца и вызвать проблемы.

С точки зрения точной математики, если время нарастания составляет наносекунду, любой путь длиной 3 дюйма или более может выйти из строя из-за отражений. Примечание: 3 дюйма = 7,5 см, а 6 дюймов = 15 см. Вы переводите время нарастания в длину, узнав скорость пути. В печатных платах это примерно соответствует 6 дюймам на наносекунду. Это отправная точка. И, как часто это происходит или какова частота тактового сигнала, не влияет на определение.

Как отмечает Ли Ричи, президент и основатель Speeding Edge, «Я видел, как дизайны терпели неудачу на линии сброса при включении питания. Это происходит, когда вы включаете питание. Люди считали это некритичным, потому что это случалось нечасто. Мир имеет привычку судить быстро на основе частоты тактирования, и вот тут они попадают в ловушку».

В качестве примера, несколько лет назад мы занимались устранением неисправностей пульсоксиметра, который вышел из строя. Компания, разработавшая продукт, определила, что продукт был «медленным», потому что он имел тактовую частоту 1 МГц. Но он не работал, потому что часть памяти в дизайне имела время нарастания 350 пикосекунд.

Так где мы сейчас? Последние данные, которые мы рассматривали от Micron Technology для их компонентов памяти, говорили, что медленный край составлял 100 пикосекунд, а номинальный край - 50 пикосекунд. Быстрый край не был указан. Если начать с наносекунды, медленный край составляет 1/10 от этого, что означает, что для медленного края путь длиной 3/10 дюйма может демонстрировать сбои из-за отражений. В этом сценарии нет продукта, который был бы не быстрым, независимо от частоты тактирования.

Дизайнеры продуктов сегодня все еще сталкиваются с проблемами, когда предполагают, что если их окончательные реализации продуктов не являются "быстрыми", то по умолчанию это означает, что продукт не относится к высокоскоростным. И есть пять областей, где люди склонны делать ошибки. К ним относятся:

• Не соблюдение правил целостности сигнала. Это включает в себя не контроль импеданса, не использование должных терминаций и использование примечаний к приложениям в качестве руководств по дизайну. Множество оправданий неудачных дизайнов начинаются с "Я следовал примечанию к приложению, продукт не работает." (Многие примечания к приложениям не содержат действительных советов по целостности сигнала.)

• Наличие множества технических идей продуктов от людей, которые не понимают технических правил. За последние 30 лет появилось много идей продуктов от инженеров-компьютерщиков, которые не имеют обучения в области целостности сигнала.

• Использование различных эмпирических правил и их применение в процессе дизайна без понимания, как все действительно работает.

• И, как отмечалось в нескольких предыдущих статьях, в высокоскоростных дизайнах наибольшей и наиболее критической проблемой сегодня является разработка правильно функционирующей системы распределения питания (PDS).

Плохие правила

Когда речь заходит о рассмотрении вопросов высокоскоростного проектирования, одни из самых больших проблем возникают из-за использования эмпирических правил, не имеющих основания в хороших инженерных практиках. Три наиболее распространенных из них, связанных с проектированием высокоскоростных печатных плат, это:

• Правило 20H

• Правило 3W

• Правило сквозных переходов (stitching vias)

Правило 20H

Правило 20H является одним из группы примерно дюжины придуманных правил, возникших в начале 90-х годов. Это правило утверждает, что если отступить Vdd от земляной плоскости на расстояние, которое в 20 раз больше разделения или "H" (что означает высоту между двумя плоскостями), можно уменьшить электромагнитные помехи (EMI). Это правило было проверено на практике в двух разных университетах студентами, которые создали тестовые платы для проверки достоверности правила. Одна тестовая плата была изготовлена с Vdd и земляной плоскостью на одном уровне, в то время как другая была изготовлена с использованием правила 20H. Пара плоскостей возбуждалась радиочастотным генератором и проверялась с помощью ближнепольного зонда, чтобы определить, были ли какие-либо электромагнитные помехи, уходящие с края. Первое, что было выявлено, это то, что величина излучения, которое могло бы уйти, была настолько мала, что никогда не вызвала бы проблем с EMI. Более того, те немногие излучения, которые уходили, были хуже, когда применялось правило 20H, по сравнению с случаем, когда Vdd и земляная плоскость были на одном уровне. Статьи, касающиеся этих испытаний, являются ссылками 2 и 3 в конце этой статьи.

Правило 3W

Это правило, основанное на другом произвольном решении, утверждает, что для контроля перекрестных помех между параллельными дорожками, проложенными на одном слое, необходимо соблюдать минимальное расстояние между центрами дорожек в 3-W. Важно помнить, что перекрестные помехи не зависят от ширины дорожки. Вместо этого это нежелательное взаимодействие между сигнальными проводами или дорожками, идущими параллельно (также называемое связью), и это функция двух вещей:

• Насколько далеко друг от друга находятся два края?

• Насколько высоко дорожки находятся над ближайшей плоскостью?

Единственный способ определить эти два фактора - использование симулятора. Это очень простой анализ, который занимает около двух минут. Однако важно отметить, что пока вы не узнаете, сколько линия-жертва может терпеть в терминах связанных шумов, вы не можете начать процесс анализа.

Сшивающие переходные отверстия (Stitching Vias)

Как отмечалось в моем блоге о защитных дорожках (Защитные дорожки: правда или миф?), утверждается, что сквозные переходы контролируют перекрестные помехи и являются барьером для электромагнитного поля. Сквозные переходы реализуются путем размещения защитной дорожки между двумя другими дорожками, а затем периодического создания перехода от дорожки к земляному слою под ней. На самом деле, если бы использование сквозных переходов было необходимым условием для работы продукта, ни один из сегодняшних интернет-продуктов — серверов, мостов и маршрутизаторов — не мог бы быть изготовлен. Механически просто не хватает места, чтобы разделить тысячи дорожек, которые находятся в этих продуктах.

И, как говорит Ли Ричи, «Я обнаружил, что каждое действительное правило имеет простое доказательство. Если человек, ссылающийся на правило, не может привести доказательство, вам не следует его использовать.»

Информация, которая в какой-то мере верна

Одной из проблем, с которой мы сталкиваемся в индустрии, является изобилие неверной информации, которая циркулирует в различных общедоступных источниках (торговые публикации, Интернет, книги от "так называемых" экспертов). Настоящая проблема заключается в том, что в этих информационных ресурсах иногда оказывается много правильной информации, которая сопровождается неверной. Сложность заключается в различении между информацией, которой можно доверять, и той, которой нельзя.

Существует два действительно хороших информационных форума, на которых содержатся действительные правила проектирования: база данных форума IEEE и рефлектор SI-LIST. SI-List был запущен в 1994 году с 30 участниками, составившими первоначальный список рассылки по электронной почте. Через него инженеры могут задавать вопросы, отвечать на вопросы, участвовать в дебатах или слушать "болтовню".

Чтобы подписаться на SI-List, перейдите по адресу http://www.freelists.org/webpage/silist. Чтобы просмотреть архивы сообщений, перейдите по адресу: https://www.freelists.org/archive/si-list/

IEEE предоставляет доступ к публикациям, конференциям, стандартам технологий, а также профессиональной и образовательной деятельности для продвижения развития инженерных дисциплин. Присоединиться к IEEE можно как инженер-профессионал, так и студент.

Благодаря технологии, внедренной в них, каждая разработанная сегодня печатная плата является высокоскоростной. Понимание того, что такое высокая скорость и какая информация составляет действительный подход к проектированию высокоскоростных устройств, гарантирует, что вы создаете продукт, который будет работать правильно с первого раза.

Ссылки

1. Ричи, Ли В. и Засио, Джон Дж., "Правильно с первого раза, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Тома 1 и 2."

2. "Влияние 20-H правила и экранирующих переходных отверстий на электромагнитное излучение с печатных плат", Хуабо Чен, студент-член IEEE, и Джиаюань Фанг, старший член IEEE, кафедра

3. электротехники, Университет Калифорнии в Санта-Крузе, Санта-Круз, Калифорния 95064. "Излучение от краевых эффектов в печатных платах (PCB)", доктор Зорица Пантич-Таннер и Франц Гизин, презентация на ежемесячном собрании главы Санта-Клара Вэлли отделения IEEE EMC Society, май 2000 года.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium или узнайте больше о лучших инструментах для проектирования высокоскоростных устройств в Altium Designer^®.