Thiết kế Backplane Tốc độ Cao và Mẹo Trình bày PCB

Nếu bạn cần kết nối nhiều bảng mạch vào một hệ thống lớn hơn và cung cấp các kết nối giữa chúng, bạn sẽ có khả năng sử dụng một backplane để sắp xếp các bảng mạch này. Backplane là những bảng mạch tiên tiến mượn một số yếu tố từ thiết kế tốc độ cao, thiết kế cơ khí, thiết kế dòng điện/điện áp cao, và thậm chí thiết kế RF. Những bảng mạch này thường được sử dụng trong các hệ thống quốc phòng quan trọng, hệ thống viễn thông, và trung tâm dữ liệu. Chúng mang theo một bộ tiêu chuẩn riêng vượt qua các yêu cầu về độ tin cậy trong IPC.

Mặc dù backplane tuân theo các tiêu chuẩn đặc biệt không thấy ở nhiều PCB khác, nhưng các khái niệm liên quan đến bố trí và định tuyến là quen thuộc với nhiều nhà thiết kế PCB. Số lượng lớn các kết nối và mạng lưới, cùng với không gian chật hẹp trên một backplane điển hình, có thể trông thách thức ban đầu. Tuy nhiên, một số chiến lược đơn giản có thể giúp bạn tổ chức và hoàn thành thiết kế backplane một cách hiệu quả trong khi đảm bảo độ tin cậy cao. Hy vọng rằng bạn sẽ học được một số chiến lược để tiếp cận thiết kế backplane tiếp theo của mình về định tuyến và bố trí để cân bằng giữa độ tin cậy và tính toàn vẹn tín hiệu. Không chần chừ nữa, hãy nhảy vào lĩnh vực phong phú này của thiết kế PCB.

Bắt đầu với Thiết kế Backplane

Có nhiều góc độ để bắt đầu với thiết kế, bố trí và định tuyến backplane. Những thiết kế này có thể khó khăn vì bạn có thể phải quản lý hàng nghìn kết nối trên một tấm mạch lớn với không gian và số lớp hạn chế. Hơn nữa, backplane có thể tham gia vào việc cung cấp điện cho các daughtercard, và mỗi daughtercard có thể rút nhiều Ampere dòng điện qua nhiều thiết bị tốc độ cao. Điều này có nghĩa là backplane của bạn có thể cần hỗ trợ ~100 A dòng điện.

Vì chức năng chính của backplane là cung cấp kết nối giữa nhiều bảng mạch trong một hệ thống lớn hơn, mọi thứ đều xoay quanh các kết nối bạn sẽ sử dụng, và đây là nơi thiết kế của bạn bắt đầu. Dưới đây là một số nhiệm vụ cơ bản trong thiết kế backplane:

1. Pinout: Bước đầu tiên là xác định pinout trên các kết nối của bạn để hỗ trợ cấu trúc định tuyến yêu cầu của bạn. Tôi sẽ đi sâu vào điểm này hơn bên dưới.
2. Yêu cầu về cơ khí: Ngoài việc đặt đúng vị trí các kết nối daughtercard, các chốt hướng dẫn được sử dụng để đảm bảo kết nối chính xác và tính toàn vẹn cấu trúc. Hình ảnh ở cuối danh sách này cho thấy một chốt hướng dẫn tiêu biểu được sử dụng với các kết nối backplane.
3. Lựa chọn vật liệu: Đối với các backplane tốc độ cao, đây là một điểm quan trọng trong quá trình thiết kế. Vì backplane có thể khá lớn, bất kỳ tín hiệu nào cần di chuyển qua toàn bộ mặt phẳng có thể trải qua sự mất mát đáng kể. Laminates ít mất mát với dệt thủy tinh chặt là cần thiết để giúp giảm thiểu sự mất mát chèn vào trên các kết nối dài. Một số ví dụ hữu ích cho các backplane đa gigabit là laminates của Rogers và Megtron.
4. Chiến lược nguồn điện và tiếp đất: Đối với các backplane cần cung cấp nguồn điện cao cho một số lượng lớn daughterboards, bạn sẽ cần một chiến lược nguồn điện và tiếp đất giúp giữ nhiệt độ thấp. Sự sắp xếp của mặt phẳng nguồn/tiếp đất trên các lớp mặt phẳng khác nhau cũng nên cung cấp sự cách ly cho các tín hiệu tốc độ cao được định tuyến xung quanh bảng mạch.
5. Số lượng lớp: Số lượng lớp bạn cần trong backplane của mình sẽ phụ thuộc vào số lượng lớp mặt phẳng cũng như số lượng lớp tín hiệu bạn sẽ cần. Một backplane có thể có tới 24 lớp và dày vài mm để đáp ứng tất cả các yêu cầu thiết kế.

Những điểm trên cũng chính là những điểm bạn cần xem xét trong bất kỳ thiết kế tốc độ cao nào khác. Tuy nhiên, mọi thứ trở nên khác biệt một chút khi bạn làm việc trên một backplane vì bố trí chân kết nối của bạn sẽ hạn chế việc định tuyến. Đây là một phần quan trọng của thiết kế backplane và nên được lên kế hoạch một cách cẩn thận.

Điều Quan Trọng Là Về Kết Nối, Bố Trí Chân và Định Tuyến

Phần lớn sự chú ý trong các giai đoạn thiết kế ban đầu sẽ tập trung vào các kết nối trong backplane của bạn. Việc lựa chọn kết nối, bao gồm cả kết nối backplane, vừa là một nghệ thuật vừa là một khoa học, và những kết nối này sẽ là những yếu tố quyết định chính của tính toàn vẹn tín hiệu. Mô phỏng rất quan trọng để đảm bảo tín hiệu không bị suy giảm quá mức tại giao diện kết nối-đường dẫn.

Bố trí chân trong các kết nối của bạn cũng rất quan trọng vì nó sẽ hỗ trợ việc định tuyến dễ dàng trên mỗi lớp. Cụ thể, bố trí chân của bạn nên đạt được hai mục tiêu:

• Nó nên được thiết kế để ngăn chặn các tín hiệu trên một lớp cụ thể từ việc chéo lên nhau khi các tín hiệu được định tuyến đến tất cả các kết nối trên bus backplane. Nếu thực hiện đúng cách, bạn có thể loại bỏ được một vài lớp tín hiệu.
• Lý tưởng nhất, việc định tuyến nên mượt mà trên toàn bộ backplane (mọi thứ chủ yếu là theo chiều ngang) khi các chân trên mỗi kết nối được tiếp cận.

Việc thực hiện theo cách từng hàng một là tốt nhất, tương tự như việc định tuyến cặp vi sai mà tôi đã chỉ ra bên dưới. Chú ý cách các chân trên mỗi bộ kết nối được xếp chồng lệch nhau trong từng cột, điều này cho phép các đường dẫn trong cặp vi sai đi qua giữa các hàng chân kết nối. Nếu tất cả các chân đều ở cùng một cột, tôi sẽ cần 2 lớp để thực hiện việc định tuyến được hiển thị bên dưới thay vì chỉ 1.

Đối với tất cả các yêu cầu thiết kế này, tôi thấy khó để cân bằng chúng trong backplane đầu tiên của mình, và chúng tôi thậm chí không thực hiện sắp xếp linh kiện ban đầu. Bạn sẽ không có nhiều tự do về việc sắp xếp linh kiện, nhưng bạn có thể giữ mọi thứ được tổ chức khi bạn định tuyến tín hiệu qua backplane miễn là bố cục chân của bạn được tổ chức và nhất quán trên các bộ kết nối của bạn. Một số mẹo khác để giúp bạn thành công bao gồm:

• Giảm thiểu sự chuyển đổi qua via trên tín hiệu tốc độ cao. Mỗi via thêm vào sự mất mát chèn vào một kết nối, và sự mất mát chèn cần được giảm thiểu càng nhiều càng tốt.
• Backdrill các chuyển đổi via tốc độ cao. Backdrilling tăng chi phí, nhưng nó giảm thiểu sự không liên tục của đuôi trên các đường truyền dài.
• Đừng ngại sử dụng lớp đất.Sử dụng lớp đất giúp cách ly giữa các nhóm dấu vết tốc độ cao khác nhau, đảm bảo các hồ sơ trở kháng nhất quán và giúp cung cấp đủ dẫn cho dòng điện trở lại cao.
• Chuyển tất cả các lớp tín hiệu không sử dụng thành các lớp mặt phẳng. Nếu bạn cung cấp điện qua backplane của mình, đừng ngần ngại thêm một lớp mặt phẳng năng lượng vào chồng lớp. Chia sẻ dòng điện giữa nhiều lớp mặt phẳng năng lượng giúp giữ cho PDN của bạn mát mẻ.

Thiết kế backplane không dành cho những người yếu tim vì nó đòi hỏi nhiều chuyên môn khác nhau để thành công. Tuy nhiên, nếu bạn có đội ngũ thiết kế phù hợp và một bộ công cụ thiết kế đầy đủ, bạn có thể vượt qua hầu hết các khía cạnh của quá trình thiết kế trên một nền tảng duy nhất. Altium Designer® là chương trình duy nhất cung cấp cho bạn một bộ công cụ thiết kế đầy đủ cho bố trí, định tuyến, tính toán động cơ tín hiệu, sản xuất và nhiều hơn nữa. Bạn sẽ có thể hoàn thành thiết kế backplane của mình và chuẩn bị cho sản xuất trong một chương trình duy nhất.

Khi bạn đã sẵn sàng đưa thiết kế backplane hoàn chỉnh ra sản xuất, bạn có thể chia sẻ dữ liệu thiết kế của mình trên nền tảng Altium 365®. Chúng tôi chỉ mới 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.