Missverständnisse und Strategien zum Hochgeschwindigkeits-PCB-Design

Soweit es um elektronische Hochgeschwindigkeitssysteme geht, führt der Erfolg des Leiterplattendesigns direkt zu einer hohen Problemlösung im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in Theorie und Praxis. Um den EMV-Standard zu erreichen, steht das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design vor großen Herausforderungen, sodass Hochgeschwindigkeits-PCB-Designer traditionelle Designphilosophien und -ansätze in ihrem Designprozess aufgeben müssen. Diese Passage analysiert hauptsächlich die Missverständnisse und Strategien im Prozess des Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesigns aus der Perspektive der Praxis.

Dielektrizitätskonstante von Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterial

Bisher gibt es im Hinblick auf das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design hauptsächlich drei Entwurfstechniken:Rausch- und verzögertes PCB-Graph-Design-Verfahren, Impedanz- und Ausbreitungsverzögerungszeit-Steuerungstechnik und Bewertungstechnik mit PCB-Impedanz als Parameter, unter denen die beiden letztgenannten Arten von Techniken sind das Herzstück der Leiterplattenfertigung. Es gibt auch viele Techniken für Übertragungen bei der Hochgeschwindigkeits-PCB-Fertigung, und die häufig verwendeten Grundstrukturen sind Mikrostreifen und Streifenleitungen. Bezüglich Hochgeschwindigkeits-PCB-Übertragungsleitungen, Z₀ das ist der Impedanzparameter und t_pd die Ausbreitungsverzögerungszeit sind die wichtigsten Variablen. Wenn sich die Struktur des Mikrostreifens von der der Streifenleitung unterscheidet, ist die Berechnungsformel tatsächlich auch anders. In jedem Fall ist die Impedanz jedoch immer die geometrische Struktur der Übertragungsleitung. In den meisten Situationen wird die Dielektrizitätskonstante eines Teils des PCB-Materials durch die Frequenz, die Wasserabsorptionsrate des Bereichs, die Temperatur und die elektrischen Eigenschaften beeinflusst. Bei zwei- oder mehrschichtigen Leiterplatten wird ihre Dielektrizitätskonstante durch den Harz- und Siliziumanteil im Leiterplattenmaterial beeinflusst.

Das heute am häufigsten verwendete Leiterplattenmaterial ist FR4. Normalerweise geben Lieferanten von PCB-Material die Werte der Dielektrizitätskonstante an, auf deren Grundlage die Projekttechniker das Material verwenden werden. In praktischen Anwendungen werden die Wertparameter normalerweise in einer Situation von 1 MHz erhalten, während in Bezug auf Hochgeschwindigkeitssituationen die Dielektrizitätskonstante offensichtliche Änderungen aufweist, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Die drei Kurven in Abbildung 1 beziehen sich auf die unterschiedlichen Anteile von Silikon und Harz. Von den drei Kurven ist A die höchste, B die mittlere und C die niedrigste. Wenn die Bediener den Unterschied nicht bemerken, kann es zu großen Abweichungen zwischen Berechnungen oder Simulationsergebnissen und praktischen Situationen in Bezug auf Impedanz und Laufzeitverzögerung kommen, was sich auf das Design der Signalintegrität von Hochgeschwindigkeitssystemen auswirken wird.

Problem mit der 90°-Ecke

90°-Ecken sollten beim PCB-Routing in den meisten Dokumenten vermieden werden, da dies möglicherweise zu Impedanzunterbrechungen und elektromagnetischer Interferenz (EMI) führt. Aus theoretischer Sicht ist die Breitenänderung der 90°-Ecke vergleichsweise groß, was zu einer großen Impedanz und einem ernsthaften Impedanzsprung führt. Aus der Sicht der Praxis neigt die elektromagnetische Energie dazu, sich an der Ecke der Führung zu sammeln, und je spitzer die Ecke ist, desto mehr Energie wird gesammelt. Basierend auf der obigen Analyse wird die EMI-Strahlung an der 90°-Ecke am stärksten hervortreten.

Einige Forscher stellen jedoch fest, dass der Einfluss der 90°-Ecke auf die Impedanz innerhalb von 10 % liegt. Wenn es sich bei der Routing-Breite von 6 mil um eine Schlüssellänge handelt, liegt sie im THz-Bereich. Es kann also davon ausgegangen werden, dass eine 90°-Ecke in der Praxis definitiv zu einer Impedanzunterbrechung führt.

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

20-H-Prinzipien

Seit dem Erscheinen der 20-H-Prinzipien durch KNG wurde es als Hauptprinzip für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design akzeptiert. Sogar einige Forscher weisen darauf hin, dass dieses Prinzip dazu beitragen kann, die elektromagnetische Dichte der Umgebung auf den betreffenden PCB-Schichten um etwa 70 % zu verringern. Außerdem spielt es auch eine wirksame Rolle bei der Reduzierung der nach außen gerichteten EMI-Strahlung. Viele Experimente unterstützen jedoch nicht die Erwartungen der Forscher.

Einige Experimente zeigen, dass das 20-H-Prinzip bei zweischichtigen Leiterplatten zu einer stärkeren Strahlung führt, während bei mehrschichtigen Leiterplatten die Verwendung des 20-H-Prinzips in der inneren mittleren Schicht keine offensichtliche Verbesserung bringt.

Kapazitätsparameter filtern

Die Filterkapazität ist eine geprüfte effektive und wirtschaftliche Messung zur Lösung von EMV-Problemen in elektronischen Systemen. Ein elektronisches Hochgeschwindigkeitssystem bringt jedoch neue Anforderungen an die Leistung und das anwendbare Design der Filterkapazität mit sich. Das vereinfachte Modul der Filterkapazität ist in Abbildung 2 dargestellt.

Es muss die folgende Anforderung erfüllen:Z_C S // Z_L (Z_C =1/2πfC). Ein häufiges Missverständnis besagt, dass solange Z_C kleiner als Z_{L ist} , kann der Zweck der Filterkapazität erreicht werden. Tatsächlich können Parameter der Filterkapazität nicht bestimmt werden, es sei denn, die Werte von Z_S und Z_L entschieden.

In Hochgeschwindigkeitsschaltungen jedoch weder Z_S noch Z_L ist reiner Widerstand, der komplexe Werte benötigt. In der Zwischenzeit Z_C ist keine reine Kapazität in der Hochgeschwindigkeitsschaltung, und sowohl der äquivalente Serienwiderstand als auch die äquivalente Serieninduktivität müssen berücksichtigt werden. All dies sind Schwierigkeiten bei der Anwendung von Filterkapazitäten in elektronischen Hochgeschwindigkeitssystemen. Wenn Konstrukteure diese Aspekte ignorieren, treten offensichtliche Unterschiede zwischen Berechnungen oder Simulationsergebnissen und der Praxis auf.

Silikonverpackung

PCB-Designer neigen dazu, dem PCB-Layout und den Verbindungen zwischen den Komponenten auf PCBs die meiste Aufmerksamkeit zu schenken und ignorieren die Bedeutung der Komponentenverpackung. Tatsächlich wird dies möglicherweise zu ernsthaften Ergebnissen für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design führen. Die Siliziumverpackung hat Einfluss auf die Leistung des Siliziums durch die parasitäre Induktivität, den parasitären Widerstand und die parasitäre Kapazität, die durch die Verbindungsleitungen und die Leitung verlaufen. Diese Parameter erzeugen Rauschen, Kommunikationsverzögerung, Flankenrate und Frequenzgang. Die parasitären Parameter verschiedener Verpackungen sind möglicherweise sehr unterschiedlich. Für das Silizium mit der gleichen Schaltung und unterschiedlicher Verpackung zeigen ihre Leistungen unterschiedliche Merkmale.

Tatsächlich sind bei elektronischen Hochgeschwindigkeitssystemen das Siliziumdesign, das Gehäusedesign und das Design auf Platinenebene niemals unabhängig voneinander. Für den Designflow auf Silizium muss ein passendes Package gemäß PCB abgeholt werden. Das Gesamtlayout des Siliziumdesigns wird sowohl von Techniken als auch von Elementen auf Platinenebene beeinflusst. Für die Siliziumverpackung ist die Anpassung an die Leiterplatte ein Element, das berücksichtigt werden muss. Noch wichtiger ist, dass ein geeignetes Gehäuse in Bezug auf die Integrität von Board-Level- und EMV-/EMI-Problemen sehr hilfreich ist. Daher sollten Siliziumverpackungen niemals ignoriert oder verachtet werden.

Gleichtaktstrom-Strahlungsstörung

In den Signalübertragungsleitungen von PCB gibt es einen Gegentaktstrom, der nützliche Signale überträgt, und einen Gleichtaktstrom ohne nützliche Informationen, die beide EMI-Strahlung erzeugen.

Aufgrund seines relativ hohen Stroms wurde der Gegentaktstrom von Schaltungsdesignern bei der Entwicklung von Theorien und Techniken zur Steuerung der EMI-Strahlung von Gegentaktströmen betont. Infolgedessen haben einige EDA-Tools Funktionen zur Simulation und Vorhersage von Gegentaktstrom-EMI-Strahlung. Im Vergleich zum Gegentaktstrom ist der Gleichtaktstrom jedoch viel geringer, was leicht dazu führt, dass die Entwickler die EMI-Strahlung des Gleichtaktstroms nicht kennen.

Nichtsdestotrotz ist gemäß neuerer Forschung, obwohl der Gleichtaktstrom viel kleiner als der Gegentaktstrom ist, die von ersterem erzeugte EMI-Strahlungsinterferenz viel größer als die von letzterem. Bisher ist die Gleichtaktstrom-EMI-Strahlung zu einer der Hauptstörquellen der Strahlung auf fortschrittlichen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten geworden. Was noch schlimmer ist, die Erzeugung von Gleichtaktstrom-EMI-Strahlung hat komplizierte Gründe und kann weder simuliert noch vorhergesagt werden. Außerdem ist die Forschung zur Kontrolle der Gleichtaktstrom-EMI-Strahlung noch im Gange.

Daher ist es bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten unzuverlässig, EMI-Strahlung nur auf der Grundlage von Gegentaktstrom-EMI-Strahlung zu simulieren und vorherzusagen.

Hilfreiche Ressourcen
• Hochgeschwindigkeits-Layout-Tipps
• Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Routingtechniken zur Verringerung des Einflusses von EMI
• Forschung zum Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesign in eingebetteten Anwendungssystemen
• Differentielle isometrische Verarbeitung und Simulationsverifizierung von Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs
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