Что означает проектирование высокоскоростных печатных плат?

Сегодня можно утверждать, что большинство печатных плат подвержены риску возникновения проблем с целостностью сигнала, которые обычно возникают при высокоскоростном цифровом проектировании. При проектировании и компоновке высокоскоростной печатной платы основное внимание уделяется созданию конструкций, которые менее подвержены проблемам целостности сигнала, целостности питания и EMI/EMC. Хотя ни один проект невозможно полностью оградить от указанных проблем, эти рекомендации помогут снизить их до уровня, на котором они будут незаметны и не создадут проблем с производительностью в конечном продукте.

После того как вы создали схемы и готовы перейти к компоновке печатной платы, вам нужно будет использовать определенные функции ваших инструментов проектирования для правильной компоновки и трассировки. В программном обеспечении для проектирования печатных плат у вас будет возможность подготовить расположение силовых и заземляющих полигонов в стеке слоев, рассчитать профили импеданса ваших проводников и просмотреть варианты материалов печатной платы для стека. Большинство аспектов высокоскоростной разработки вращаются вокруг конструкции стека печатных плат и трассировки для обеспечения целостности сигнала и питания, и правильное программное обеспечение ECAD может помочь обеспечить успех в этих областях.

Основы высокоскоростного цифрового проектирования

Итак, что означает проектирование высокоскоростных печатных плат? Высокоскоростное проектирование относится к системам, которые используют высокоскоростные цифровые сигналы для передачи данных между компонентами. Граница между высокоскоростным цифровым проектом и простой печатной платой с более медленными цифровыми протоколами нечеткая. Общий показатель, используемый для обозначения конкретной системы как «высокоскоростной» — это скорость фронта (или время нарастания) цифровых сигналов, используемых в системе. В большинстве цифровых проектов используются цифровые протоколы как с высокой скоростью (высокая скорость фронта), так и с низкой скоростью (низкая скорость фронта). В современную эпоху встраиваемых систем и интернета вещей большинство высокоскоростных печатных плат имеют ВЧ-интерфейс для беспроводной связи и быстрых сетей.

Хотя все проекты начинаются со схемы, основная часть проектирования высокоскоростной печатной платы сосредоточена на создании необходимой структуры её соединений, стека печатной платы и трассировке. Если вы добьетесь успеха в первых двух областях, то, вероятно, добьетесь успеха и в третьей. Ознакомьтесь с разделами ниже, чтобы узнать о конструировании высокоскоростных печатных плат и важности программного обеспечения для проектирования печатных плат.

Планирование структуры слоев высокоскоростной печатной платы и полного сопротивления

Стек печатных плат, который вы создаете для высокоскоростной печатной платы, будет определять импеданс, а также легкость при выполнении трассировки. Стек печатной платы содержит набор слоев, предназначенных для высокоскоростных сигналов, питания и заземления, и есть несколько моментов, которые следует учитывать при назначении слоев в стеке:

• Размер платы и количество цепей: насколько большой будет плата и трассировка какого количества цепей требуется для печатной платы. На физически больших платах может быть достаточно места для трассировки и компоновки печатной платы, при использовании всего нескольких сигнальных слоев.
• Плотность трассировки: при большом числе цепей и ограниченном размере платы может быть мало места для трассировки в наружном слое. Поэтому требуется большее число внутренних сигнальных слоев, на которых проводники расположены ближе к друг другу. Использование платы меньшего размера может привести к увеличению плотности трассировки.
• Число интерфейсов: иногда рекомендуется трассировать только один или два интерфейса на слой в зависимости от ширины шины (последовательная или параллельная) и размера платы. Сохранение всех сигналов в высокоскоростном цифровом интерфейсе на одном слое обеспечивает согласованный импеданс и понятность сдвига для всех сигналов.
• Сигналы с низкой скоростью и РЧ сигналы: будут ли в цифровом проекте низкоскоростные или РЧ сигналы? Если будут, они могут занимать место на поверхностном слое, которое можно было использовать для высокоскоростной шины или компонентов; таким образом может потребоваться дополнительный внутренний слой.
• Целостность питания: один из ключевых элементов целостности питания — использование больших слоев питания и заземления для каждого уровня напряжений, необходимых для больших микросхем. Их необходимо размещать в соседних слоях, чтобы обеспечить высокую емкость слоя для поддержки стабильного питания через разделительные конденсаторы.

Варианты материалов печатной платы, количество слоев и толщина

Перед проектированием стека печатной платы определите количество слоев, необходимых для размещения всех цифровых сигналов в проекте. Есть несколько способов определения этого, но они основаны на математических вычислениях и опыте проектирования высокоскоростных плат. Помимо указанных выше моментов определения числа слоев необходимый размер платы может определяться большими высокоскоростными микросхемами с посадочными местами BGA/LGA. При выполнении трассировки BGA, её обычно можно уместить в 2 ряда проводников на сигнальный слой, при создании стека необходимо включить в число слоев слои питания и заземления.

Обычно материалы класса FR4 могут использоваться в высокоскоростных цифровых проектах, если проводники между компонентами короткие. Если проводники слишком длинные, в высокоскоростном канале будут большие потери, и компоненты на принимающем конце канала могут не иметь возможности восстановить сигналы. Основное свойство, которое необходимо учитывать при выборе материалов, — это тангенс угла диэлектрических потерь материала печатной платы. Геометрия проводника также будет вызывать потери, но, как правило, материал FR4 с более низким тангенсом угла потерь рекомендуется для небольших плат.

Если трассы слишком длинные, может потребоваться более специализированный материал в качестве основы для высокоскоростных проектов. Материалы с ламинатом на основе PTFE, ламинатом из стекла и других более специализированных материалов подходят для поддержки высокоскоростных цифровых плат большего размера, если проводники очень длинные, и требуется обеспечить низкие вносимые потери. Хорошим выбором материала начального уровня с высоким Tg для малогабаритных высокоскоростных печатных плат будет 370HR. Для плат большего размера можно использовать ламинат Megtron или Duroid. Перед продолжением проконсультируйтесь с производителем, чтобы убедиться в возможности изготовления с использованием выбранных материалов и предложенного стека.

• Подробнее о факторах, определяющих потери в линиях передачи
• Подробнее о материалах для проектирования высокоскоростных и высокочастотных плат

Контроль импеданса

Импеданс определяется только после создания предложенного стека и его проверки производителем. Производитель может предложить изменения для стека платы, такие как альтернативные материалы платы или толщина слоя. После утверждения используемого стека и окончательного определения толщины можно вычислить значения импеданса.

Обычно импеданс вычисляется с помощью формулы или калькулятора с анализатором поля. Необходимое в проекте значение импеданса, определяет размеры линии передачи и расстояние до ближайших слоев питания или земли. Ширину линии передачи можно определить с помощью следующих инструментов:

• Формулы IPC-2141 и Вадделла: служат отправной точкой для оценки импеданса и предоставляют точные результаты на низких частотах. 
  Подробнее об использовании формул вычисления импеданса проводника.
• Программы анализаторы полей 2D/3D: используются для решения уравнений Максвелла с учетом геометрии линии передачи, определенной для высокоскоростной платы. 
  Подробнее о лучшем в отрасли ПО анализатора поля, встроенном в калькуляторе стека печатной платы.

Использование инструмента layer stack manager вместе со средством анализа поля обеспечивает наиболее точные результаты и даже учитывает шероховатость меди, травление, асимметричное расположение линий и дифференциальных пар. После вычисления профиля импеданса для проводников он должен быть установлен как правило проектирования в инструментах трассировки для обеспечения необходимого импеданса проводников.

Большинство протоколов передачи высокоскоростных сигналов, такие как PCIe или Ethernet, используют трассировку дифференциальных пар, поэтому необходимо определить импеданс дифференциальных пар, вычислив ширину и расстояние между проводниками. Инструменты анализа полей — это лучшие средства для вычисления импеданса дифференциальных пар в любой геометрии (микрополосковая, полосковая или копланарная). Другой важный результат использования средства анализа полей — задержка распространения, которая будет использоваться во время высокоскоростной трассировки для принудительной настройки длины.

• Подробнее о расчете импеданса для микрополосковой линии
• Подробнее о расчете импеданса для симметричной полосковой линии

Планирование высокоскоростной печатной платы

Нет определенных правил или стандартов размещения компонентов на высокоскоростной печатной плате. Как правило, самую большую микросхему центрального процессора рекомендуется разместить в центре платы, поскольку обычно она должна соединяться с остальными компонентами на плате одинаковым образом. Микросхемы меньшего размера, подсоединяемые напрямую к центральному процессору, могут размещаться вокруг микросхемы в центре, чтобы трассы между компонентами были короткими и прямыми. Периферийные компоненты можно разместить на плате для обеспечения необходимых функций.

После размещения компонентов можно настроить инструменты проектирования и приступить к трассировке проекта. Это важная часть проектирования высокоскоростной цифровой схемы, поскольку неправильная трассировка может нарушить целостность сигнала. Однако, если предыдущие шаги были выполнены правильно, добиться целостности сигнала будет намного проще. Необходимо задать профиль полного сопротивления в правилах проектирования печатной платы, чтобы все проводники в проекте имели правильную ширину, зазор и интервал для поддержания контролируемого полного сопротивления во время трассировки.

Трассировка, целостность сигнала и целостность питания

Целостность сигнала начинается с установки определенного значения импеданса на плате и его сохранения во время компоновки и трассировки. Ниже приведены другие стратегии обеспечения целостности сигнала:

• Стремитесь к уменьшению длины проводников между компонентами для обеспечения высокой скорости сигналов.
• Старайтесь свести к минимуму трассировку через переходные отверстия, в идеале должно быть два переходных отверстия для входа и выхода из внутреннего слоя.
• Удаляйте неиспользуемую медь в отверстиях на высокоскоростных шинах (например, 10G + Ethernet), используя обратное высверливание.
• Уделяйте внимание необходимости использования оконечных резисторов для предотвращения отражения сигналов; сведения о наличии встроенного терминирования см. в описаниях компонентов.
• Уточните у производителя, какие материалы и процессы могут помочь избежать эффекта влияния типа плетения волокон.
• Используйте грубое вычисление перекрестных помех или моделирования для определения подходящего расстояния между цепями печатной платы.
• Составьте список шин и цепей, требующих согласования длины, чтобы можно было настроить их структуру для устранения перекоса.

Эти важные моменты можно определить как правила проектирования для инструментов трассировки, что поможет обеспечить соблюдение рекомендаций по проектированию высокоскоростных плат.

Трассировка высокоскоростных печатных плат

Правила проектирования, установленные в проекте высокоскоростной печатной платы, обеспечивают импеданс, зазор и длину при трассировке проекта. Кроме того, при трассировке дифференциальной пары, к ней могут быть применены специальные правила, в частности, уменьшенные несоответствия длины для предотвращения перекоса и принудительные интервалы между трассами для соблюдения целевых значений дифференциального импеданса. Лучшие инструменты трассировки позволяют установить ограничения геометрии проводника в качестве правил проектирования для обеспечения производительности.

Одним из наиболее важных моментов в трассировке высокоскоростной печатной платы является размещение слоев заземления рядом с проводниками. Стек слоев должен быть сконструирован так, чтобы слои заземления находились в слоях смежных с слоями в которых есть сигналами с контролем импеданса для поддержания постоянного импеданса и определения неразрывного обратного пути протекания тока. Проводники не должны прокладываться через зазоры или разрезы в полигонах заземления во избежание неоднородности импеданса, что обычно приводит к появлению электромагнитных помех. Размещение слоя заземления не ограничивается обеспечением целостности сигнала, оно также важно для целостности питания и его стабильной подачи.

Целостность питания

Целостность питания охватывает много аспектов и играет важную роль при проектировании высокоскоростных печатных плат. Обеспечение стабильной подачи питания на высокоскоростные компоненты исключительно важно для проектов печатных плат, поскольку проблемы целостности питания могут выливаться в проблемы целостности сигнала. Целостность питания в первую очередь обеспечивается за счет подачи питания к компонентам с низким уровнем шума. Структура слоев печатной платы и компоновка сети подачи питания — основные факторы, определяющие уровень целостности питания в цифровом проектировании. В грамотно выполненном проекте питание будет подаваться на скоростные цифровые компоненты с низким уровнем шума и очень незначительными переходными колебаниями на шинах питания. Проектирование высокоскоростных печатных плат с хорошей целостностью питания обеспечивает низкий уровень помех и шумов и устранение ряда проблем целостности сигнала, возникающих в высокоскоростных межсоединениях.

• Подробнее о целостности питания в цифровых системах

Расширенные инструменты для высокоскоростного проектирования и трассировки

Лучшее программное обеспечение для проектирования высокоскоростных печатных плат объединяет все эти возможности в одном приложении, избавляя от необходимости использовать отдельные рабочие процессы для решения задач проектирования. Проектировщики высокоскоростных печатных плат должны выполнять большой объем работы на начальном этапе для обеспечения целостности сигнала, целостности питания и электромагнитной совместимости. Эффективные инструменты работы с высокоскоростными структурами помогут добиться нужных результатов, опираясь на правила проектирования, которые гарантируют ожидаемую эффективность.

Более продвинутое программное обеспечение для проектирования печатных плат будет взаимодействовать с приложениями для моделирования, чтобы помочь в выполнении анализа в соответствии с жесткими отраслевыми стандартами. Некоторые программы для моделирования специально предназначены для оценки целостности сигнала и питания в проекте, а также для проверки электромагнитных помех в печатной плате. Моделирование очень полезно при проектировании высокоскоростных печатных плат, поскольку может помочь выявить определенные проблемы SI/PI/EMI до запуска проекта в производство. Некоторые примеры имеют возможность отслеживания пути протекания обратного тока, обнаружения разрывов импеданса в проводниках и способность помочь определить идеальное расположение разделительных конденсаторов для предотвращения электромагнитных помех.

Если нужно разработать передовые высокоскоростные цифровые системы, обеспечивая при этом целостность сигналов и питания, используйте лучший набор инструментов для конструирования и компоновки высокоскоростных печатных плат, созданных согласно заданным правилам проектирования. Независимо от того, требуется ли вам компоновка плотного одноплатного компьютера или сложной печатной платы со смешанными сигналами, лучшие инструменты компоновки печатных плат помогут вам оставаться гибкими при создании высокоскоростной печатной платы.

Конструкторы схем, инженеры по компоновке и инженеры SI/PI доверяют передовым инструментам проектирования Altium Designer® для проектирования высокоскоростных проектов. Когда вы закончили проектирование и готовы к выпуску в производство, платформа Altium 365 ™ упрощает совместную работу и обмен вашими проектами.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .