Mô phỏng Trở kháng Mặt Đất Rỗng trong PCB Linh hoạt

Mạch in linh hoạt (Flexible PCBs) và mạch in cứng linh hoạt (rigid flex PCBs) đều có thể truyền tải tín hiệu tốc độ cao, một số trong số đó đòi hỏi trở kháng được kiểm soát. Việc thực hiện trở kháng kiểm soát trên một mạch in linh hoạt không phải là nhiệm vụ dễ dàng vì nhiều lý do. Nếu bạn chọn lựa con đường trở kháng kiểm soát, nơi nhà sản xuất kiểm tra trở kháng và điều chỉnh cấu trúc chồng chất, bạn hiếm khi có tự do làm điều này vì nó có thể buộc độ dày của lớp linh hoạt phải quá dày hoặc quá mỏng. Nếu bạn chọn con đường điện môi kiểm soát, cấu trúc của mặt đất làm mất hiệu lực các mô hình điển hình cho trở kháng, vì vậy rất khó để xác định trở kháng phù hợp.

Thật không may, điều này có nghĩa là bạn phải sử dụng một số mô phỏng hoặc một số dữ liệu thử nghiệm để xác định trở kháng của các đường dẫn đơn và cặp dẫn khác biệt trên mạch in linh hoạt. Không phải tất cả các nhà sản xuất có thể cung cấp dữ liệu này, hoặc nếu họ có dữ liệu này, họ có thể không công bố công khai. Khi nói đến cặp dẫn khác biệt, khoảng cách cũng sẽ là yếu tố quan trọng quyết định trở kháng dọc theo kết nối.

Trong bài viết này, được lấy cảm hứng từ công trình của Lukas Henkel, tôi sẽ trình bày một bộ kết quả mô phỏng ngắn gọn và quy trình làm việc có thể được sử dụng để xác định trở kháng dẫn trên mặt đất có lỗ.

Động lực cho Mô phỏng Trở kháng Mặt đất Có Lỗ

Mới đây, chúng tôi đã hoàn thành một cuộc phỏng vấn theo dõi với Lukas Henkel, nơi chúng tôi đã thảo luận về một số tiến triển của anh ấy trong Dự án Laptop Mã nguồn mở. Dự án này liên quan đến việc tạo ra bo mạch chủ cũng như các thiết bị ngoại vi cho một chiếc laptop mã nguồn mở, và một trong những thiết bị ngoại vi đó là webcam, được đặt ở phần trên của màn hình. Hãy xem clip phỏng vấn của chúng tôi để tìm hiểu thêm, hoặc xem toàn bộ tập trên YouTube.

Trong phần tham khảo về phần thiết kế của webcam trong clip này, webcam được kết nối với bo mạch chủ sử dụng một PCB linh hoạt. Để truyền dữ liệu từ camera đến CPU, một liên kết nối tiếp tốc độ cao là cần thiết. Điều này đòi hỏi việc sử dụng MIPI CSI-2, một giao diện điểm đối điểm tốc độ cao gửi dữ liệu nối tiếp qua bốn làn song song với một đồng hồ đồng bộ nguồn. Tổng cộng, điều này cung cấp tới năm cặp điểm đối điểm chạy giữa camera và bo mạch chủ.

Định tuyến CSI-2 qua 4 làn dữ liệu và một làn đồng hồ đồng bộ nguồn. Cả hai dấu vết trong mỗi cặp điểm đối điểm đều yêu cầu điều chỉnh chiều dài, và các cặp điểm đối điểm phải được khớp với nhau trong nhóm này.

Là một giao diện vi sai, vui lòng sử dụng các cặp vi sai yêu cầu kiểm soát trở kháng đến 100 ohm. Trên một PCB cứng, điều này khá dễ dàng. Sử dụng trình quản lý lớp chồng và Altium Designer hoặc một trình mô phỏng khác để nhanh chóng nhận được trở kháng không mất mát dựa trên mặt cắt chồng lớp. Trên một PCB linh hoạt, điều này không dễ dàng vì PCB linh hoạt sử dụng mặt đất dạng lưới. Bây giờ, hãy cùng xem qua lý thuyết cho thấy tại sao lại như vậy. Sau đó, chúng ta có thể hiển thị một số kết quả mô phỏng cho dải linh hoạt của Lukas, sẽ chi tiết trở kháng vi sai và các S-parameters vi sai.

Yếu Tố Điền Đầy Là Tham Số Quan Trọng Quyết Định Trở Kháng

Khi đánh giá trở kháng của một kết nối đồng trên một PCB linh hoạt với mặt đất dạng lưới, một trong những công cụ chúng ta có thể sử dụng để hiểu điều gì đang xảy ra trong kết nối là trở kháng đầu vào. Nếu bạn nhìn vào cấu trúc của mặt đất dạng lưới, lưới có một số khu vực mà đồng được loại bỏ, thường là hình vuông hoặc kim cương, và khu vực đó có thể được định nghĩa là một phần nào đó của các phần tử diện tích lặp lại tạo nên mặt đất dạng lưới. Tôi đã gọi phần này là "yếu tố điền đầy," có thể được định nghĩa như hình dưới đây.

Bây giờ, chúng ta hãy điều hướng một đường dẫn qua các khu vực khác nhau của cấu trúc trên; một số phần của đường dẫn sẽ nằm trên đồng rắn, trong khi các phần khác của đường dẫn sẽ được điều hướng qua khu vực đã loại bỏ đồng. Sự hiện diện biến đổi của mặt đất gần đường dẫn sẽ ảnh hưởng đến trở kháng và do đó tính toàn vẹn tín hiệu trên các tuyến đường này. Dọc theo chiều dài của đường dẫn, chúng ta sẽ mong đợi sự biến đổi của trở kháng cao và thấp, điều này sẽ phụ thuộc vào khoảng cách từ đường dẫn đến đồng.

Do chúng ta có sự biến đổi trong trở kháng dọc theo chiều dài của tuyến đường, cấu trúc này là một đường truyền tải tuần hoàn nối tiếp. Tôi chưa thấy một nguồn tài liệu nghiên cứu nào mô tả cụ thể loại cấu trúc này, mặc dù tôi có đề cập đến nó trong bài viết này. Dù sao, có một trở kháng đầu vào trong mỗi phần, có thể được viết dưới dạng phần đường truyền tiếp theo:

Để nói một cách đơn giản hơn, nếu bạn biết trở kháng đặc trưng của từng phần đường truyền, bạn có thể ước lượng được tham số S thông qua tính toán cảm ứng, và việc này đủ đơn giản để thực hiện trong một script Python hoặc trong Excel. Ví dụ, nếu bạn biết trở kháng trên đồng và trong khu vực lưới, bạn có thể sử dụng phương trình trên một cách lặp lại để ước lượng lỗ hổng trả về (S11) tại cổng vào.

Tôi cho rằng phương pháp này chính xác hơn là giả định một mặt phẳng rắn và sau đó áp dụng một số hệ số điều chỉnh, nhưng tôi nghĩ đây là đề tài cần nghiên cứu thêm. Dù sao đi nữa, một khi bạn có ước lượng về trở kháng đơn cuối hoặc trở kháng chênh lệch trên một mặt đất lưới, cuối cùng bạn sẽ cần phải xác nhận điều này, và điều đó đòi hỏi một mô phỏng 3D.

Mô phỏng 3D của Mặt Đất Lưới

Để đánh giá đầy đủ hơn hiệu suất của các kết nối trên một mặt đất lưới, chúng tôi sẽ sử dụng dải linh hoạt dưới đây được cung cấp bởi Lukas Henkel cho máy tính xách tay mã nguồn mở. Hình dưới đây cho thấy một cái nhìn 3D của dải linh hoạt và định tuyến dấu vết trong hai khu vực, cũng như các nhóm dấu vết trong mỗi khu vực.

Lớp 1:

Lớp 2:

Đầu tiên, để lấy một số giá trị của trở kháng đặc trưng ở mỗi phần, công cụ phân tích tuân thủ trong Simbeor được sử dụng để lấy trở kháng dựa trên các mặt cắt dấu vết. Hai khu vực đã được kiểm tra và so sánh. Trong khu vực thẳng đi trực tiếp từ bộ kết nối camera, trở kháng của các dòng đơn lẻ có vẻ như biến thiên ít hơn nhiều; trở kháng biến đổi từ 30-40 Ohm dọc theo các đoạn thẳng. Trong khu vực cong của cáp linh hoạt, sự biến thiên trở kháng lớn hơn nhiều với trở kháng đặc trưng dao động từ 30-60 Ohm.

Độ rộng dòng (W/H = 4) tạo ra các khu vực có trở kháng lẻ rất thấp trên đồng, trong khi các khu vực giữa đồng gần với mục tiêu 50 Ohm hơn. Sự biến thiên cụ thể có vẻ là khoảng 28-62 Ohm, hoặc trung bình là 45 Ohm trở kháng lẻ. Trở kháng vi sai đạt khoảng 78 Ohm với một số biến thiên.

Khu vực thẳng:

Khu vực cong:

Dựa trên những gì chúng ta đã thấy, có một số sự lệch lạc trở kháng lớn dọc theo liên kết, mặc dù chúng nhỏ về chiều dài, vì vậy chúng ta có thể mong đợi một số sự chuyển đổi chế độ dọc theo liên kết này. Ma trận tham số S đầy đủ cho liên kết này sẽ cho chúng ta biết về sự mất mát và chuyển đổi chế độ, và kết quả được hiển thị trong phần tiếp theo.

Kết quả Tham số S CSI-2

Bây giờ, hãy xem xét các tham số S cho liên kết CSI-2 khi nó được kiểm soát trở kháng. Chỉ dựa trên các giá trị trở kháng mặt cắt được hiển thị ở trên, việc xác định mất mát trở lại thực tế dọc theo liên kết trở nên khá không rõ ràng. Do đó, chúng tôi thực hiện mô phỏng tham số S từ hình dạng này để xác định mất mát trở lại đến các tần số rất cao. Hình dưới đây hiển thị kết quả cho làn CSI-2 được nêu ở trên.

Mất mát trở lại nằm trong giới hạn chấp nhận được cho một liên kết CSI-2; mất mát chèn khá thấp trong băng thông kênh nhờ vào chiều rộng của các dấu vết, nhưng giảm mạnh ngoài giới hạn băng. Một vấn đề ở đây là chuyển đổi chế độ, cụ thể là SCD21 (đồ thị dưới bên phải), điều này là dễ hiểu khi xem xét bản chất không liên tục của mặt đất được tô vạch. Liên kết này có nhiều sự chuyển đổi chế độ cần được kiểm tra so với giới hạn MIPI C-PHY.

Nếu bạn muốn cải thiện kết quả tổn hao quay về và tổn hao chèn, bạn cần điều chỉnh yếu tố điền và khoảng cách cho liên kết vi sai. Sau đó, bạn cần mô phỏng lại và kiểm tra xem các tham số S đã được cải thiện hay không. Xem phần quy trình làm việc bên dưới để biết thêm chi tiết.

Tóm tắt Kết quả và Quy trình Làm việc

Đối với mục đích của chúng tôi, khi chỉ xem xét việc định tuyến trên PCB, kết quả này là chấp nhận được. Trong thực tế, các tham số S cho toàn bộ kết nối sẽ phụ thuộc vào sự không khớp trở kháng tại các giao diện cáp kết nối. Để mở rộng mô phỏng ngoài những gì được hiển thị ở trên, chúng ta cần thực hiện các bước sau:

1. Xuất một tệp Touchstone của các tham số S cho liên kết này.
2. Lấy các tệp Touchstone cho các kết nối ở mỗi đầu.
3. Lấy một tệp Touchstone cho liên kết dẫn đến CPU và chip camera.
4. Thêm tất cả những tệp này vào một mô hình mạng tuyến tính.
5. Xác định các tham số S cho toàn bộ mạng nối tiếp.
6. Dựa vào những kết quả này, người ta có thể cần điều chỉnh yếu tố lấp đầy cho lớp đất được rạch dưới cặp vi sai CSI-2.
7. Lặp lại và thực hiện lại.

Quy trình trên minh họa một quy trình làm việc cần được áp dụng để xác định trở kháng đường dẫn cho một làn CSI-2. Do thiếu kết quả phân tích chính xác có thể được sử dụng để dự đoán trở kháng đường dẫn trên một mặt đất được rạch, người ta cần bắt đầu với một ước lượng dựa trên yếu tố lấp đầy, sau đó lặp qua một số biến thể để có được trở kháng đường dẫn phù hợp. Tôi đề xuất quy trình làm việc sau:

1. Bắt đầu với việc đề xuất một thiết kế rạch và tính toán yếu tố lấp đầy.
2. Tính toán thêm hai yếu tố lấp đầy để sử dụng như là các biến thể.
3. Thiết kế một bảng thử nghiệm nhỏ với những biến thể này và mô phỏng các tham số S trong từng trường hợp.
4. Xem xét kết quả tham số S và chọn yếu tố lấp đầy tốt nhất.
5. Đối với các cặp vi sai, xem xét kết quả và xác định xem khoảng cách có nên được điều chỉnh để tăng hoặc giảm trở kháng vi sai hay không.
6. Mô phỏng liên kết vi sai đã chỉnh sửa và kiểm tra các tham số S.
7. Lặp lại và thực hiện lại.

Với ba mô phỏng này, và có thể là một mô phỏng thứ tư dựa trên việc điều chỉnh khoảng cách giữa các cặp vi sai, bạn có thể đạt được thiết kế kết nối có thể sử dụng chỉ trong bốn lần mô phỏng với tổng thời gian mô phỏng khoảng 8 giờ. Điều này đủ nhanh để hoàn thành trong một ngày.

Để cung cấp thêm cái nhìn sâu sắc vào hiệu suất của các liên kết đơn cuối và vi sai trên các bản mạch in linh hoạt có mặt đất dạng lưới, tôi dự định thực hiện một nghiên cứu hình học lớn hơn. Điều này sẽ liên quan đến việc thay đổi nhiều tham số yếu tố lấp đầy và xác định tham số hình học nào là ước lượng hiệu quả nhất cho trở kháng đơn cuối và vi sai. Hãy chắc chắn theo dõi loạt bài blog này để cập nhật thêm.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD hàng đầu trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường liên ngành ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.