При моделировании длинных линий проектировщику необходимо рассчитывать шероховатость медной фольги для определения точного импеданса. Без правильных моделей или программных средств вы сможете лишь приблизительно оценить импеданс скин-эффекта, дисперсию и паразитные явления в своей плате. С этими моделями может быть сложно работать самостоятельно, если вы не разбираетесь в математике, но можно использовать правильные инструменты проектирования для быстрого включения шероховатости меди в расчет профиля импеданса при создании структуры слоев.
С помощью нового менеджера стека слоев в Altium Designer® вы можете включить коэффициенты шероховатости медной фольги непосредственно в расчет импеданса. Это довольно просто сделать в менеджере структуры слоев, но возникает вопрос: какой именно коэффициент шероховатости должен быть? Какое значение следует использовать для конкретных межсоединений? Это сложный вопрос, который связан с процессами осаждения меди на диэлектрики. Тем не менее, с некоторыми разумными приближениями в двух стандартных моделях шероховатости меди вы можете рассчитать значение коэффициента шероховатости для профиля импеданса в Altium Designer.
Средство расчета профилей импеданса в Altium Designer включает в себя встроенный решатель электромагнитных полей, который рассчитывает профили импеданса на нужной опорной частоте. Этот решатель использует модель Дебая, для которой известны точные параметры модели до 10 ГГц для микрополосков и 20 ГГц для полосковых линий (для FR4 в обоих случаях). Эта причинно-следственная модель для диэлектрической функции хорошо учитывает дисперсию и предоставляет отличное приближение для значений импеданса межсоединений во всем нужном диапазоне частот.
Когда необходимо моделировать омические и индуктивные потери из-за скин-эффекта, следует учитывать два фактора:
Первый из этих пунктов можно легко учесть с помощью стандартных уравнений электромагнетизма. Для моделирования второго пункта необходим учет внутренней структуры проводящих трасс, а также средней шероховатости поверхности трассы. Если вы хотите работать со стандартной моделью импеданса линии передачи, то следует использовать это уравнение для расчета влияния шероховатости меди на импеданс:
Эти поправки на шероховатость также могут использоваться в решателе, таком как встроенный в Altium Designer решатель полей от Simberian. Поправку на шероховатость, которую вы используете в профиле импеданса в Altium Designer, необходимо определить с помощью причинно-следственного представления. Ее можно легко рассчитать с помощью модели Хэммерстада (Hammerstad) или модели “снежных комов” Хурея (Cannonball-Huray).
Широко распространенными для расчета поправочных коэффициентов шероховатости являются модель Хэммерстада и модель “снежных комов” Хурея. Модель “снежных комов” Хурея более эффективна и применима с точки зрения соответствия экспериментальным данным, но она имеет более сложную форму. Тем не менее, применение причинно-следственной связи в этой модели дает выражение в конечном виде для поправочного коэффициента шероховатости в этой модели. Основным входным параметром в этой модели является средний размер частицы меди в трассе (называется “снежным комом”, или “пушечным ядром”, в этой модели).
Модель Хэммерстада, напротив, предлагает выражение в конечном виде для поправочного коэффициента шероховатости, который является функцией шероховатости поверхности. Поэтому работать с моделью Хэммерстада проще, поскольку необходимо лишь узнать от производителя среднеквадратичное значение шероховатости поверхности, которое можно определить с помощью простого измерения профиля поверхности на атомно-силовом микроскопе.
В обеих моделях, целью является расчет коэффициента K, который затем умножается на R в следующем уравнении для потерь характеристического импеданса:
В таблице ниже приведены формулы, используемые для расчета K в уравнении выше.
Дополнительная информация об использовании формул для поправочных коэффициентов шероховатости медной фольги содержится в документе DesignCon 2018. Обратите внимание, что эти коэффициенты в формулах выше являются функциями частоты, поэтому необходимо выбрать граничное значение частоты (как правило, 10 ГГц подходит). После расчета этого значения вы можете ввести его в профиль импеданса в Altium Designer.
Включить шероховатость медной фольги в менеджер стека слоев в Altium Designer достаточно просто. После создания новой платы, при определении структуры слоев нажмите по вкладке Impedance в нижней части Layer Stack Manager. Будет открыта панель Impedance Profile, как показано ниже. Здесь вы можете указать параметры шероховатости медной фольги для своей платы, и решатель электромагнитных полей автоматически определит геометрию, которая будет соответствовать целевому импедансу с нужной точностью.
Профиль импеданса автоматически вычислит импеданс межсоединения в соответствии со структурой слоев и параметрами шероховатости, которые вы ввели. Далее вы можете сохранить этот профиль импеданса и использовать его в правилах проектирования. Это позволит автоматизировать такие задачи, как подстройка длины трасс, трассировка дифференциальных пар и расчеты целостности сигналов.
Altium Designer® включает в себя множество других средств конструирования печатных плат. Профиль импеданса с указанной шероховатостью медной фольги определен, он становится доступным прочим инструментам проектирования, таким как правила для быстродействующих цепей. Это крайне важно для обеспечения соответствия проекта требованиям к сигналам и для контроля потерь в межсоединениях.
Вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах конструирования, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium, чтобы узнать больше.