Tất cả về Độ Dài Đường Dẫn PCB của Bạn: Độ Dài Nào là Quá Dài?

Thỉnh thoảng, tôi nhận được câu hỏi từ độc giả khiến tôi quan tâm và cuối cùng dẫn đến một cuộc tranh luận sôi nổi, nghiên cứu sâu rộng, hoặc phiên hỏi đáp. Một câu hỏi gần đây tôi nhận được liên quan đến độ dài đường dẫn PCB, tiêu chuẩn tín hiệu, và thông số kỹ thuật của linh kiện. Dưới đây là câu hỏi được diễn giải lại:

Độ dài giới hạn thông thường cho một đường dẫn tốc độ cao là bao nhiêu?

Đây luôn là một câu hỏi thú vị vì nó có thể được giải quyết từ nhiều góc độ. Trong trường hợp này, linh kiện hoạt động trên PCIe với tốc độ cao trên một lớp cách điện tiêu chuẩn (Dk ~4 và Df ~0.02 ở phần cao của băng thông). Không khó để thấy rằng câu hỏi đang ám chỉ việc tăng độ dài của đường dẫn từ cổng kết nối đến bộ thu, và liệu linh kiện có thể chịu đựng khoảng cách tăng thêm và vẫn phục hồi tín hiệu trong kênh hay không.

Làm thế nào bạn sẽ điều tra độ dài đường dẫn PCB tối đa bạn có thể chấp nhận trong kênh này? Thực tế là không có một giá trị độ dài đường dẫn PCB tối đa cụ thể nào cho bất kỳ tiêu chuẩn tín hiệu nào vì nhiều lý do. Thay vào đó, chúng ta phải xem xét sự mất mát trong kênh khi tín hiệu lan truyền. Trong linh kiện cụ thể này, câu trả lời khá bất ngờ. Hãy tiếp tục đọc để biết thêm thông tin.

Câu trả lời: Xem xét Tổn thất Tổng

Độ dài đường mạch PCB tối đa bạn có thể đặt giữa hai linh kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Bao gồm:

• Giao thức tín hiệu: Các tiêu chuẩn tín hiệu quy định một mức hiệu suất tối thiểu mà một kết nối nên được thiết kế theo. Những yêu cầu này không đảm bảo thiết kế sẽ hoạt động, nhưng chúng cung cấp cho bạn một cơ sở để sử dụng làm mục tiêu thiết kế.
• Thông số kỹ thuật của linh kiện: Một số linh kiện có thể vượt qua các yêu cầu trong tiêu chuẩn tín hiệu của bạn, nhưng điều này vẫn không đảm bảo kênh sẽ hoạt động.
• Lớp phủ PCB và tổn thất: Tất cả tổn thất trong lớp phủ PCB sẽ giảm biên độ tín hiệu và tạo ra méo tín hiệu, vì vậy những nguồn tổn thất này cần được tính đến khi xác định chiều dài đường mạch.
• Lệch pha và méo pha: Lệch pha có thể tích tụ trong một số trường hợp, tùy thuộc vào đường dẫn định tuyến, do hiệu ứng sợi dệt. Điều này chủ yếu gây ra vấn đề trong phần của tín hiệu chiếm khoảng ~20 GHz và các tần số cao hơn, tạo ra méo pha trong tín hiệu.

Tổn thất Tích tụ Dọc theo Đường Mạch

Với tất cả những điều này trong tâm trí, hãy xem xét nơi mà sự mất mát tích tụ dọc theo kênh. Hình dưới đây cho thấy tổng sự mất mát trong kênh ví dụ của chúng ta đang xem xét. Một số sự mất mát này đã được gộp lại dọc theo chiều dài của các đường dẫn. Bất kể sự mất mát bắt nguồn từ đâu, chúng ta chỉ cần cộng tất cả chúng lại theo dB, và chúng ta có thể chuyển đổi số này trở lại thành giá trị suy giảm thập phân nếu muốn.

Điểm ở đây là: Tôi không thực sự quan tâm sự mất mát đến từ đâu, chúng sẽ cộng lại với nhau để giới hạn công suất đến được bộ thu. Bởi vì tín hiệu chỉ có thể chịu đựng được một lượng mất mát nhất định trước khi nó trở nên không thể khôi phục, tổng sự mất mát sẽ giới hạn chiều dài đường dẫn PCB đến một giá trị tối đa nào đó.

Sự Mất Mát Chèn Lũy Tiến

Sự mất mát chèn (được chỉ định trong dB) dọc theo một đường dẫn cá nhân phụ thuộc vào chiều dài và liên quan đến chiều dài và phần thực của hằng số truyền dẫn:

ChỈ cần bạn biết hằng số truyền và chiều dài của kết nối, bạn sẽ biết tổng lượng mất; đó chỉ là tổng của lượng mất chèn và lượng mất trả về tại mỗi giao diện dọc theo kết nối. Nếu bạn muốn, bạn có thể đảo ngược mối quan hệ này cho lượng mất chèn và xác định một lượng mất chấp nhận được và chiều dài đường dẫn tối đa miễn là (bạn có thể xác định hằng số truyền).

Nếu một Chiều Dài Được Chỉ Định?

Hãy quay lại với câu hỏi ban đầu trong một lúc. Trong trao đổi này, thành phần nhận chỉ định một chiều dài đường dẫn PCB tối đa theo thời gian, thay vì theo một ngân sách lượng mất hoặc chiều dài đường dẫn cụ thể. Nói cách khác, họ giả định bạn biết về vận tốc nhóm/phân kỳ (hoặc độ trễ truyền) cho tín hiệu di chuyển trên kết nối. Nếu bạn biết về sự phân tán, thì bạn biết rằng bạn sẽ phải thực hiện phối hợp chiều dài đường dẫn PCB so với tần số bởi vì vận tốc của tín hiệu thay đổi theo tần số.

Dù bạn thấy một chiều dài cụ thể được chỉ định hay một khoảng thời gian được chỉ định, mỗi giá trị chỉ áp dụng cho một loại vật liệu laminate PCB và hình dạng dấu vết cụ thể. Nếu bạn sử dụng một loại vật liệu laminate PCB khác hoặc hình dạng dấu vết khác, giá trị chiều dài không còn hợp lệ nữa bởi vì sự mất mát trải nghiệm dọc theo chiều dài dấu vết đó sẽ khác. Trong trường hợp này, bạn cần chuyển đổi chiều dài dấu vết PCB tối đa được chỉ định thành một chiều dài dấu vết mới sử dụng hằng số truyền sóng tương ứng với mức mất mát tối đa trên kết nối. Bạn có thể sử dụng tỷ lệ:

trong đó γ là hằng số truyền sóng cho tín hiệu, và L là một giá trị chiều dài. Ở đây, tôi đã lấy giá trị thực của γ vì điều này cho chúng ta biết sự mất mát dọc theo kết nối. Nếu bạn nhìn vào phương trình đầu tiên ở trên, bạn sẽ thấy rằng bên trái chỉ đơn giản là một ngân sách mất mát. Lấy những giá trị này cùng với các giá trị phù hợp của hằng số truyền sóng của bạn sẽ cho bạn chiều dài dấu vết PCB tối đa mới.

Mô phỏng và Các Giải Pháp Trường Sẽ Hỗ Trợ

Có một số bước có thể được thực hiện ở cấp độ thiết kế để tăng chiều dài dấu vết cho phép nhằm ngăn chặn sự mất mát quá mức:

• Sử dụng vật liệu giảm tổn hao, như lớp phủ dựa trên PTFE
• Chọn một loại kết nối có tổn hao thấp hơn
• Loại bỏ vias dư thừa và backdrill các đuôi via
• Thử chỉnh sửa hình dạng đường dẫn sao cho có tổn hao thấp hơn

Nếu bạn được giao hạn chế về thời gian hoặc chiều dài cho kết nối của mình, bạn chỉ cần biết hằng số truyền dẫn của kết nối cũ và mới để xác định chiều dài mới. Nếu bạn sử dụng Altium Designer, bạn có thể sử dụng Layer Stack Manager để tính toán độ trễ truyền dẫn cho các mạch của bạn được kiểm soát trở kháng, và bạn có thể sử dụng điều này để thiết lập giới hạn chiều dài đường dẫn cho các lớp mạng liên quan.

Đối với các tính toán nâng cao hơn liên quan đến việc trích xuất tham số S, người dùng Altium Designer® có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập thiết kế của họ vào các trình giải quyết trường Ansys. Đây là một cách đơn giản để đánh giá một thiết kế với một ứng dụng giải quyết trường mạnh mẽ trước khi bắt đầu một lần chạy nguyên mẫu.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365 giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến theo Yêu cầu.