Руководство по размещению элементов на печатных платах высокой скорости: советы и стратегии

В сфере недвижимости ходит известное выражение: «местоположение, местоположение, местоположение». Интересно, что то же самое можно сказать и о размещении компонентов на высокоскоростных печатных платах. Хотя все аспекты процесса проектирования высокоскоростных печатных плат важны, размещение компонентов играет особенно важную роль для обеспечения простоты трассировки, минимизации электромагнитных помех и возможности исключения необходимости добавления дополнительных слоев. Методы размещения, которые работают без проблем в стандартном дизайне печатной платы, могут не удовлетворять критическим требованиям к потоку сигналов в высокоскоростном дизайне. Для функционирования дизайна действительно всё зависит от «местоположения, местоположения, местоположения».

Вот несколько советов и стратегий, которые стоит учитывать при создании вашей высокоскоростной печатной платы. Сначала мы рассмотрим некоторые основные соображения по размещению компонентов для высокоскоростных дизайнов, затем перейдем к преимуществам создания плана размещения перед тем, как разместить компоненты на плате. Наконец, но не в последнюю очередь по важности, мы обсудим терминирующие резисторы и места их размещения.

Размещение компонентов в вашей высокоскоростной печатной плате

Любая компоновка печатной платы похожа на сложную головоломку, которую нужно решить, учитывая множество взаимосвязанных целей. Часто вам приходится соблюдать определенные ограничения по форм-фактору и цели по количеству слоев, а также нужно убедиться, что детали размещены таким образом, чтобы удовлетворить эти и многие другие требования.

Детали на печатной плате для высокоскоростных сигналов обычно должны быть расположены следующим образом:

1. Сгруппированы по блокам схемы: Во-первых, сгруппируйте компоненты, выполняющие определенные задачи в системе, вместе. Например, все компоненты, участвующие в регулировании питания, должны быть сгруппированы вместе.
2. Сгруппированы вокруг крупных процессоров: Эти компоненты обычно имеют высокое количество входов/выходов и будут напрямую взаимодействовать с вашими сгруппированными блоками схем. Попробуйте расположить первичные блоки схем вокруг вашего центрального процессора, а затем попытайтесь расположить последующие блоки вокруг них.
3. Сгруппированы с доступом к каналам маршрутизации: Если у вас есть набор компонентов, которым необходим доступ к общему интерфейсу на другом компоненте, попробуйте расположить эти компоненты так, чтобы их контакты были обращены друг к другу. Это не всегда будет возможно, но если у вас получится, вам не придется прокладывать маршруты через внутренние слои или по длинным путям вокруг других компонентов.

На изображении ниже вы увидите большой MCU в самой правой части макета, вокруг которого сгруппированы другие компоненты, их выводы направлены к MCU. Чуть левее можно заметить второстепенные компоненты, такие как разъемы, светодиоды и некоторые пассивные элементы. Обратите внимание, что они примерно выстроены так, чтобы быть обращёнными к одной из сторон MCU. Это позволяет осуществлять маршрутизацию напрямую от MCU к этим областям платы на левой стороне.

 
Пример макета печатной платы для высокоскоростных сигналов

При планировании размещения функциональных блоков схемы учитывайте также потребности в плоскостях питания и заземления. Обычно предпочтительнее использовать непрерывные плоскости питания, но если потребности дизайна требуют разделённой плоскости питания для нескольких напряжений, будьте осторожны при размещении соединённых компонентов через раздел. Высокоскоростные линии передачи не должны пересекать разделы в плоскостях питания, так как это приведёт к разрыву пути возврата для этих сигналов. Также избегайте размещения других компонентов, которые не являются частью цепи, между компонентами этой цепи. Это также повлияет на путь возврата для этой цепи.

Давайте более подробно рассмотрим размещение частей для различных блоков компонентов, разъемов и других схем.

Подготовка к размещению компонентов путем планирования расположения

Создание плана этажа для вашего размещения компонентов является эффективным способом подготовки к разработке высокоскоростной печатной платы. Планируя заранее, вы можете учесть группы компонентов, как упоминалось выше, вместо того чтобы быть удивленным, когда они будут размещены в самом конце дизайна. 

Функциональные блоки

Функциональные блоки схем, такие как питание, РЧ, цифровые, аналоговые и т.д., должны быть организованы и размещены группами, чтобы минимизировать пересечение сигналов. Предварительное планирование размещения позволит вам увидеть, каков поток сигналов между функциональными блоками и как лучше всего спланировать его. Например, группируйте вместе ваши аналоговые схемы низкой частоты насколько это возможно, чтобы сигналы высокой частоты или высокой скорости не должны были проходить через чувствительные области аналоговой схемотехники.

ЭМИ и разъемы

Вы должны избегать размещения чувствительных высокоскоростных устройств близко к краю платы. Это связано с тем, что край платы может действовать как открытая полость, позволяющая электромагнитному излучению уходить с края платы, что означает, что может возникнуть больше электромагнитных помех (EMI), влияющих на другие компоненты в вашей системе.

Любые кабели, необходимые вашей плате для передачи данных или питания, должны быть подключены к разъему на вашей плате, и они могут излучать EMI. Поэтому обычно рекомендуется пытаться разделять ваши разъемы и высокоскоростные компоненты, блоки высокоскоростной цифровой функциональности и блоки высокочастотной аналоговой схемотехники. Большинство руководств указывает, что вы должны размещать разъемы ближе к краям платы, а чувствительные высокоскоростные устройства ближе к центру платы, чтобы уменьшить EMI в вашем дизайне.

Высокоскоростные краевые разъемы для карт PCIe. 

Управление теплом

Тепловые эффекты - еще один аспект размещения элементов при проектировании высокоскоростных устройств, который следует учитывать. Это связано с тем, что руководства по высокоскоростной компоновке предполагают, что устройства могут работать при более высоких температурах, чем стандартные компоненты. Чтобы обеспечить охлаждение горячих компонентов, планируйте их размещение так, чтобы эти компоненты получали неограниченный поток воздуха. Например, не размещайте высокие компоненты, такие как разъемы, в направлении потока воздуха к горячему BGA.

Согласование сопротивлений и сети согласования импедансов

Финальная и наиболее специфическая стратегия размещения - это учет местоположения терминирующих резисторов. В высокоскоростных конструкциях печатных плат может потребоваться применение терминации на конце источника или приемника интерконнекта, в зависимости от импедансов портов компонентов и необходимого согласования импеданса. Эти резисторы часто рассматриваются как элементы, добавляемые по завершении основной части схемы. Поскольку эти резисторы являются частью схемы в целом, их размещение крайне важно для корректной работы.

Независимо от того, где вы хотите разместить свои компоненты высокой скорости, вам нужно будет найти место для необходимых терминирующих резисторов. Так где же дизайнеру следует размещать терминирующие резисторы, и как это повлияет на поведение сигнала? В первую очередь, нам нужно рассмотреть, добавляем ли мы терминирующие резисторы последовательно или параллельно.

Параллельное терминирование (Подтягивающий, Шунтирующий или Тевениновское)

Параллельное терминирование обычно используется для шунтирования конца нагрузки линии передачи на землю, когда компонент нагрузки имеет высокий входной импеданс. Иногда используется подтягивающий резистор для корректировки уровня сигнала для согласования с приемником. Шунтирующие и подтягивающие резисторы иногда используются вместе, что называется Тевениновским терминированием, которое корректирует уровень сигнала на приемнике и устанавливает входной импеданс нагрузки в соответствие с импедансом линии передачи. Проверьте технические описания ваших компонентов, чтобы узнать, какой метод терминирования вам следует использовать в ваших проектах.

Эта схема подключает одну сторону терминирующего резистора к концу цепи, ближайшему к приемнику, в то время как другая сторона подключается к плоскости питания или земли. Чем больше длина трассы от вывода нагрузки до резистора, тем больше цепь подвержена отражению сигнала, что приводит к его деградации. Вот почему параллельные резисторы должны быть размещены как можно ближе к выводу нагрузки приемника, и они должны иметь непосредственное соединение обратно к плоскости питания/земли через переходное отверстие (via).

Терминирование последовательное

Цель последовательного терминирования заключается в установлении выходного импеданса драйвера равным импедансу вашего соединения. В этой схеме терминирования резистор размещается непосредственно на выходном выводе драйвера. Поскольку резистор находится очень близко к выходному выводу драйвера, входной импеданс, видимый драйвером, будет примерно равен входному импедансу линии передачи.

Компоненты с высоким количеством контактов, такие как корпуса BGA, обычно не требуют установки терминирующих резисторов на каждый управляющий контакт. Некоторые интерфейсы могут иметь встроенную терминирование, поэтому внешний терминирующий резистор не потребуется. Для тех контактов, которым требуется последовательное терминирование, необходимо обеспечить некоторое свободное пространство вокруг компонента для установки терминирования. Однако размещение нескольких последовательных терминирующих резисторов для устройства большого масштаба займет много места на плате вокруг устройства. Это потребует предварительного планирования, чтобы убедиться, что достаточно места доступно без необходимости перекладывать и заменять дорожки на вашей высокоскоростной печатной плате.

Независимо от того, какой тип терминирования вам необходимо применить, размещайте резисторы близко к компонентам, которые они терминируют. Не размещайте их посередине линии передачи. Узнайте больше об этих методах терминирования в этой статье.

Схема ввода/вывода

Прокладка трасс к компонентам и от них является важной частью разработки высокоскоростных печатных плат и их трассировки. Компоненты, такие как квад-пакеты, легко трассируются, если трассы имеют правильный размер. Трассы должны быть идеально подобраны таким образом, чтобы они могли подходить к контактным площадкам с минимальным сужением, когда есть спецификация по импедансу. Если для интерфейса существует требование по импедансу, лучше всего попытаться спроектировать стек слоёв так, чтобы ширина вашей трассы соответствовала размеру площадки на компонентах. Если это невозможно сделать, например, по причинам стоимости, потребуется сужение трассы или копланарная трассировка с близлежащим слоем меди. Копланарная трассировка обычно непрактична, поэтому лучше всего просто попытаться достичь целевой ширины.

Сужение от широкой трассы к узкому контакту.

Мы предпочитаем держать укорочение трасс до минимума на шинах с контролируемым импедансом из-за необходимости рассчитать критическую длину. На мой взгляд, лучшая практика - это спроектировать стек таким образом, чтобы требования к ширине трассы 50 Ом уже соответствовали ширине трассы к размеру площадки. Это дает вам лучший результат, где укорочение трасс полностью исключается. В шинах, где нет спецификации импеданса, не беспокойтесь об этом, если только трассировка не становится очень длинной или вы не трассируете на кабель.

Что насчет BGA? BGA - это один из типов корпусов компонентов, где укорочение трасс иногда необходимо на шинах с указанным импедансом, чтобы проложить трассу между площадками. Если вы разрабатываете с использованием BGA, то, вероятно, уже и так работаете на пределе возможностей, даже в пакетах BGA с шагом 1 мм. Шаг создает требование к размеру площадки, и это создает требование к ширине трассы, чтобы сохранить зазоры.

Чтобы убедиться, что вы можете соответствовать требованию к ширине трассы на шинах с указанным импедансом, вам, скорее всего, потребуется использовать более тонкий ламинат. BGA с интерфейсами с указанным импедансом требуют меньшей толщины диэлектрика, когда шаг становится меньше. Чтобы лучше это понять, узнайте больше о разветвлениях BGA в этой статье.

Планировка этажей и другие стратегии, о которых мы говорили, дадут вам отличный старт при создании вашей высокоскоростной печатной платы. Лучшие инструменты для проектирования высокоскоростных печатных плат могут помочь вам с размещением, а также с многими другими аспектами дизайна. Профессиональное программное обеспечение для проектирования печатных плат, такое как Altium Designer^®, имеет подходящие инструменты для работы.

Хотели бы вы узнать больше о различных рекомендациях и возможностях высокоскоростной компоновки, которые Altium предлагает своим пользователям? Обратитесь к эксперту в Altium.