High-Speed-PCB-Design meistern: Häufige Missverständnisse & bewährte Strategien

Bei High-Speed-elektronischen Systemen führt der Erfolg des PCB-Designs direkt zu hoher Problemlösungskompetenz in elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) – in Theorie und Praxis. Um EMV-Standards zu erreichen, steht High-Speed-PCB-Design vor großen Herausforderungen; Designer müssen traditionelle Designphilosophien und -ansätze aufgeben. Dieser Beitrag analysiert Missverständnisse und Strategien im High-Speed-PCB-Design aus Praxisperspektive.

Dielektrizitätskonstante (Dk) von High-Speed-PCB-Material

Derzeit gibt es drei Haupt-Designtechniken für High-Speed-PCB: Rausch- und verzögerungsbasiertes PCB-Graph-Design, Impedanz- und Laufzeitkontrolle, Evaluierungstechnik mit PCB-Impedanz als Parameter – letztere beiden sind Kern der PCB-Fertigung. Gängige Basisstrukturen für High-Speed-Übertragungsleitungen: Microstrip und Stripline. Bei High-Speed-Übertragungsleitungen sind Z₀ (Impedanzparameter) und tₚd (Laufzeit) die wichtigsten Variablen. Unterscheiden sich Microstrip- und Stripline-Struktur, unterscheiden sich Berechnungsformeln. In jedem Fall ist Impedanz immer geometrische Struktur der Übertragungsleitung. In den meisten Situationen wird Dk von PCB-Material durch Frequenz, Wasseraufnahme, Temperatur und elektrische Eigenschaften beeinflusst. Bei 2-Lagen- oder Multilayer-PCBs wird Dk durch Harz-/Glas-Anteil im Material beeinflusst.

Heutig gängigstes PCB-Material: FR4. Materiallieferanten geben Dk-Werte an, nach denen Projektingenieure das Material nutzen. In der Praxis werden Parameter meist bei 1 MHz ermittelt; bei High-Speed ändert sich Dk deutlich (Abb. 1).

Die drei Kurven in Abb. 1 zeigen unterschiedliche Harz-/Glas-Anteile. Kurve A = höchster, B = mittlerer, C = niedrigster Wert. Übersehen Bediener den Unterschied, entstehen große Abweichungen zwischen Berechnung/Simulation und Praxis bei Impedanz und Laufzeit – wirkt sich auf High-Speed-System-Signalintegrität aus.

90°-Ecken-Problem

90°-Ecken im PCB-Routing sollten in den meisten Dokumenten vermieden werden – sie können Impedanzdiskontinuität und EMI-Strahlung verursachen. Theoretisch: Breitenänderung an 90°-Ecke ist groß → große Impedanz, schwere Diskontinuität. Praktisch: Elektromagnetische Leistung konzentriert sich an Routing-Ecken; je spitzer die Ecke, desto stärker die Konzentration. Daher wird EMI-Strahlung an 90°-Ecken am stärksten.

Einige Forscher finden jedoch: Einfluss von 90°-Ecke auf Impedanz ≤10 %. Bei 6 mil Routingbreite, wenn es zur kritischen Länge wird, liegt es im THz-Bereich. Schätzung: 90°-Ecke führt in der Praxis definitiv zu Impedanzdiskontinuität.

Daher: Im praktischen PCB-Routing, zumindest im GHz-Bereich, ist es unnötig, 90°-Ecken um jeden Preis zu vermeiden.

20-H-Regel

Seit Einführung der 20-H-Regel durch KNG gilt sie als Hauptprinzip für High-Speed-PCB-Design. Einige Forscher claimen: Reduziert umgebende elektromagnetische Dichte auf betreffenden PCB-Lagen um ~70 %, reduziert auch nach außen abgestrahlte EMI. Viele Experimente stützen diese Erwartungen nicht.

Experimente zeigen: Bei 2-Lagen-PCBs führt 20-H-Regel zu stärkerer Strahlung; bei Multilayer-PCBs bringt Anwendung im inneren Dielektrikum keine offensichtliche Verbesserung.

Filterkondensator-Parameter

Filterkondensatoren sind bewährte, wirtschaftliche Maßnahme zur EMV-Problemlösung in elektronischen Systemen. High-Speed-Systeme stellen neue Anforderungen an Leistung und anwendungsgerechtes Design. Vereinfachtes Filterkondensator-Modell (Abb. 2).

Anforderung: Z_C < Z_S // Z_L (Z_C = 1/2πfC). Häufiges Missverständnis: Solange Z_C < Z_L, wird Filterzweck erreicht. Tatsächlich: Filterkondensator-Parameter können nicht bestimmt werden, bevor Z_S und Z_L festgelegt sind.

In High-Speed-Schaltungen sind weder Z_S noch Z_L reine Widerstände – komplexe Werte nötig. Z_C ist im High-Speed keine reine Kapazität – äquivalente Serienresistanz (ESR) und äquivalente Serieninduktivität (ESL) müssen berücksichtigt werden. All dies sind Schwierigkeiten bei Filterkondensator-Anwendung in High-Speed-Systemen. Ignorieren Designer diese Aspekte, entstehen offensichtliche Unterschiede zwischen Berechnung/Simulation und Praxis.

Silicon-Packaging (Chip-Gehäuse)

PCB-Designer fokussieren sich meist auf PCB-Layout und Bauteilverbindungen, vernachlässigen Chip-Gehäuse-Bedeutung. Dies kann schwerwiegende Folgen für High-Speed-PCB-Design haben. Silicon-Packaging beeinflusst Silicon-Leistung durch parasitäre Induktivität, Widerstand, Kapazität über Verbindungsleitungen und Anschlüsse. Diese Parameter erzeugen Rauschen, Kommunikationsverzug, Flankensteilheit, Frequenzgang. Parasitäre Parameter unterscheiden sich stark zwischen Gehäusetypen. Gleiches Silicon, unterschiedliche Gehäuse → unterschiedliche Performance.

Tatsächlich sind bei High-Speed-Systemen Silicon-Design, Packaging-Design und Board-Level-Design nie unabhängig. Im Silicon-Design-Flow muss passendes Package gemäß PCB gewählt werden. Gesamtlayout des Silicon-Designs wird durch Techniken und Board-Level-Elemente beeinflusst. Für Silicon-Packaging ist PCB-Matching ein Muss. Noch wichtiger: Passendes Package hilft enorm bei Board-Level-Integrität und EMV/EMI-Problemen. Daher: Silicon-Packaging nie ignorieren oder unterschätzen.

Gleitstrom-Strahlstörung (Common-Mode Current Radiation)

In PCB-Signalübertragungsleitungen existieren Differentialmodusstrom (nutzbare Signale) und Gleitstrom (keine Nutzinfo) – beide erzeugen EMI-Strahlung.

Wegen höherem Strom wurde Differentialmodusstrom von Designern betont → Theorie/Techniken zur Differentialmodus-EMI-Kontrolle entstanden. Einige EDA-Tools bieten Differentialmodus-EMI-Simulation/-Vorhersage. Im Vergleich ist Gleitstrom viel kleiner → Designer ignorieren Gleitstrom-EMI leicht.

Neuere Forschung zeigt: Obwohl Gleitstrom viel kleiner als Differentialmodusstrom, ist dessen EMI-Strahlstörung viel größer. Gleitstrom-EMI ist heute eine Hauptstrahlstörquelle auf High-Speed-High-End-Leiterplatten. Schlimmer: Entstehungsgründe komplex; weder Simulation noch Vorhersage möglich. Forschung zur Kontrolle noch im Gange.

Daher: Bei High-Speed-PCB-Design ist es unzuverlässig, EMI-Strahlung nur basierend auf Differentialmodusstrom zu simulieren/vorhersagen.

Weiterführende Ressourcen
• High-Speed Layout Tipps
• High-Speed PCB Routing Techniken zur EMI-Reduktion
• Forschung zu High-Speed PCB Design in eingebetteten Anwendungssystemen
• Differential-Isometrische Verarbeitung & Simulationsverifikation High-Speed PCB Design
• Image Planes für High-Speed PCBs designen
• High-Speed PCB Design Herausforderungen Signalintegrität & Lösungen
• Unterdrückungsmethode Signalreflexion High-Speed PCB Layout
• Signalintegritätsanalyse & PCB-Design High-Speed Digital-Analog Mischschaltung
• Vollumfänglicher PCB-Fertigungsservice PCBCart – Mehrere Mehrwert-Optionen
• Fortschrittlicher PCB-Bestückungsservice PCBCart – Ab 1 Stück