EMV Tipps - PCB-Routing

High-Speed-PCB-Routing

Ein Leiterplattendesigner hat eine schwierige Aufgabe beim Verlegen einer Leiterplatte. Viel komplizierter wird es, wenn das Design Hochgeschwindigkeitssignale beinhaltet. Um diesen PCB-Designern zu helfen, haben wir eine Liste der besten Hochgeschwindigkeits-PCB-Routing-Praktiken erstellt, die sie dabei unterstützen, dieses

• perfekte Hochgeschwindigkeitsdesign zu erreichen.
• Bewegen Sie Hochgeschwindigkeitssignale über eine feste Grundebene
• Vermeiden Sie Hot Spots, indem Sie Vias in ein Gitter legen.
• Halten Sie Spurenbiegungen bei 135 ⁰ anstelle von 90 ⁰ und vermeiden Sie spitze Winkel.
• Erhöhen Sie den Abstand zwischen den Spuren, um Übersprechen zu vermeiden
• Vermeiden Sie lange Stub-Spuren, indem Sie das Routing der Gänseblümchenkette implementieren
• Platzieren Sie keine Komponenten oder Vias zwischen Differentialpaaren
• Integrieren Sie die Längenanpassung, um einen Versatz zwischen Differentialpaaren zu vermeiden
• Richten Sie das Signal nicht über eine geteilte Ebene
• Separate analoge und digitale Bodenebenen zur Lärmreduzierung
• Teilen Sie die Layouts virtuell zwischen analogen und digitalen Gründen auf
• Halten Sie die Spurenbreite gemäß der Größe der diskreten Komponente

 

BEWEGEN SIE HOCHGESCHWINDIGKEITSSIGNALE ÜBER EINE FESTE GRUNDEBENE

Als Faustregel gilt, dass es am vorteilhaftesten ist, eine gemeinsame Grundebene unter den Signalspuren zu haben. Für beste Ergebnisse sollte ein Designer mindestens eine vierschichtige Leiterplatte einbauen. Eine vierschichtige Leiterplatte ermöglicht es, eine der inneren Schichten einer vollen Grundebene zu widmen. Eine Grundebene ist ein Kupferblech, das eine der Schichten der Leiterplatte bildet und den gesamten Bereich einer der Schichten der Leiterplatte abdeckt. Dies gewährleistet eine minimale Impedanz zwischen zwei beliebigen Bodenpunkten in der Leiterplatte. Dieses Grundebene sollte niemals durch Verlegen von Spuren gebrochen werden.

Wenn die der Grundebene am nächsten gelegene äußere Schicht verwendet wird, um alle Hochgeschwindigkeitskomponenten wie HF-Komponenten unter Verwendung von Mikrostreifenspuren oder komplanaren Spuren zu montieren. Die gegenüberliegende Seite dient zur Montage weniger kritischer Komponenten. Die zweite innere Schicht wird für Kraftebenen verwendet. Die Kraftflugzeuge sind so groß wie möglich, um die Impedanz zu verringern.

 

Eine doppelseitige Leiterplatte ist möglicherweise die richtige Wahl, wenn es um Kostenminimierung geht. Dies zu erreichen ist ziemlich schwierig. Wenn es erforderlich ist, Gleise auf beiden Seiten der Leiterplatte im selben Gebiet zu leiten, ist ein gutes Grundebene nicht mehr garantiert. Die einzige Lösung besteht dann darin, Bodenebenen auf beiden Seiten der Spuren zu implementieren, die durch viele Vias miteinander verbunden sind, wie in Abbildung ( 2 ) gezeigt.

 

Das Entwerfen einer doppelseitigen Leiterplatte wird komplex, wenn die Grundebene zwischen der oberen und unteren Ebene geteilt wird. Der Designer sollte sicherstellen, dass sich unter dem kritischsten Abschnitt mindestens ein volles Bodenflugzeug befindet. Die Oberseite muss so weit wie möglich mit einigen Spuren auf der Unterseite zum Verlegen verwendet werden. Es werden viele Verbindungsvias benötigt, um das obere und das untere Gelände miteinander zu verbinden. Am wichtigsten ist, dass Spuren niemals die Hochgeschwindigkeitsspuren auf der gegenüberliegenden Seite in einem zweischichtigen Brett überqueren sollten.

Geteilte Bodenebenen werden manchmal in kritischen Fällen implementiert. Zum Beispiel eine Grundebene für die Logikabschnitte und eine Grundebene für die analogen Komponenten, die an einem einzelnen Punkt verbunden sind.

Das Konzept besteht darin, den Lärm in den analogen Grundebenen zu reduzieren. Leider ist es eine große Herausforderung, eine solche Idee genau umzusetzen. Insbesondere ist es dann obligatorisch, alle Spuren, die von einer Region in die andere gehen, ausschließlich über diesem Verbindungspunkt zu leiten, wie in Abbildung ( 3 ) gezeigt. Wenn nicht, fungieren diese Spuren als Antenne, die entweder falsche Signale sendet oder empfängt. In den meisten Fällen ist ein vollständiger Einzelgrund zuverlässiger und liefert bessere Ergebnisse als geteilte Böden, solange sich die Platzierung der Komponenten im richtigen Bodenabschnitt befindet.

Normalerweise wird eine geteilte Grundebene vermieden, es sei denn, es besteht ein spezifischer Bedarf wie die Reduzierung starker ESD-Risiken und die Reduzierung analoger Bodengeräusche.

VERMEIDEN SIE HOT SPOTS, INDEM SIE VIAS IN EIN GITTER LEGEN

Die Signalvias erzeugen Hohlräume in der Kraft- und Grundebene. Eine unsachgemäße Positionierung von Vias kann ebene Bereiche erzeugen, in denen die Stromdichte erhöht wird. Diese Regionen werden Hot Spots genannt. Diese Hot Spots müssen vermieden werden. Die beste Lösung besteht darin, die in Abbildung ( 4 ) gezeigten Vias in ein Gitter zu legen, das genügend Platz zwischen den Vias lässt, damit die Kraftebene passieren kann. Platzieren Sie als Daumenregel nach Möglichkeit Vias in einem Abstand von 15 mm.

HALTEN SIE 135 ⁰ SPURENBIEGUNGEN ANSTELLE VON 90 ⁰, WÄHREND SIE HOCHGESCHWINDIGKEITSSIGNALE LEITEN

Die Biegungen sollten beim Verlegen von Hochgeschwindigkeitssignalen minimal gehalten werden. Wenn die Biegungen erforderlich sind, sollten 135 ° -Biegungen anstelle von 90 ° implementiert werden, wie in Abbildung ( 5, Rechte Seite ) gezeigt. Bei 90 Grad ist eine glatte PCB-Ätzung nicht garantiert. Auch sehr schnelle scharfe Kanten wirken als Antenne.

Um eine bestimmte Spurenlänge zu erreichen, werden Serpentinspuren benötigt, wie in Abbildung ( 6 ) gezeigt. Ein Mindestabstand von 4 mal der Spurenbreite muss zwischen angrenzendem Kupfer in derselben Spur gehalten werden. Jedes Segment der Biegungen sollte das 1,5-fache der Spurenbreite betragen. Die meisten DRCs in CAD-Tools überprüfen diese Mindestabstände nicht, da die Spuren Teil desselben Netzes sind.

 

ERHÖHEN SIE DEN ABSTAND ZWISCHEN DEN SIGNALEN AUSSERHALB DER ENGPASSBEREICHE, UM EINEM ÜBERSPRECHEN AUSZUWEICHEN

Zwischen den Spuren sollte ein Mindestabstand eingehalten werden, um den Übersprechen zu minimieren. Der Übersprechenpegel hängt von der Länge und dem Abstand zwischen den beiden Spuren ab. In einigen Bereichen erreicht die Verlegung von Spuren einen Engpass, bei dem die Spuren näher als gewünscht sind. In solchen Situationen sollte der Abstand zwischen den Signalen außerhalb des Engpasses vergrößert werden. Selbst wenn die Mindestanforderung erfüllt ist, kann der Abstand etwas weiter vergrößert werden.

 

VERMEIDEN SIE LANGE STUB-SPUREN, INDEM SIE DAS ROUTING DER GÄNSEBLÜMCHENKETTE IMPLEMENTIEREN, UM DIE SIGNALINTEGRITÄT AUFRECHTZUERHALTEN.

Die langen Stubspuren können als Antennen fungieren und folglich die Probleme erhöhen, die den EMV-Standards entsprechen. Stub-Spuren können auch Reflexionen erzeugen, die die Signalintegrität negativ beeinflussen. Klimmzug- oder Pulldown - Widerstände bei Hochgeschwindigkeitssignalen sind übliche Stubquellen. Wenn solche Widerstände erforderlich sind, leiten Sie die Signale als Gänseblümchenkette weiter, wie in Abbildung ( 8 ) gezeigt.

Platzieren Sie keine Komponenten oder Vias zwischen Differentialpaaren

Wenn Hochgeschwindigkeitsdifferentialpaare parallel zueinander verlegt werden, sollte ein konstanter Abstand zwischen ihnen eingehalten werden. Dieser Abstand hilft, die angegebene Differenzimpedanz zu erreichen. Der Konstrukteur sollte den Bereich minimieren, in dem der angegebene Abstand aufgrund von Pad-Einträgen vergrößert wird. Die Differentialpaare sollten symmetrisch verlegt werden.

Der Konstrukteur sollte keine Komponenten oder Vias zwischen Differentialpaaren platzieren, selbst wenn die Signale symmetrisch weitergeleitet werden, wie in Abbildung ( 10 ) gezeigt. Das Platzieren von Bauteilen und Vias zwischen Differentialpaaren kann zu EMV-Problemen und Impedanzdiskontinuitäten führen.

Einige Hochgeschwindigkeitsdifferentialpaare benötigen serielle Kupplungskondensatoren. Diese Kondensatoren sollten symmetrisch platziert werden. Die Kondensatoren und die Pads erzeugen Impedanzdiskontinuitäten. Kondensatorgrößen wie 0402 sind gegenüber 0603 vorzuziehen. Größere Pakete wie 0805 oder C-Packs müssen vermieden werden.

Da die Vias eine enorme Unterbrechung der Impedanz einführen, muss die Anzahl der Vias reduziert und symmetrisch platziert werden.

Während des Verlegens eines Differentialpaars sollten beide Spuren auf derselben Schicht verlegt werden, damit die Impedanzanforderungen erfüllt werden, wie in Abbildung ( 13 ) gezeigt. Außerdem sollte die gleiche Anzahl von Vias in den Spuren enthalten sein.

 

INTEGRIEREN SIE DIE LÄNGENANPASSUNG, UM EINE ENGE VERZÖGERUNGSVERSCHIEBUNG ZWISCHEN POSITIVEN UND NEGATIVEN SIGNALEN ZU ERZIELEN.

Die Hochgeschwindigkeitsschnittstellen stellen zusätzliche Anforderungen hinsichtlich der Ankunftszeit an einem Ziel, das als Taktversatz zwischen verschiedenen Spuren und Signalpaaren bezeichnet wird. Beispielsweise müssen in einem Hochgeschwindigkeits-Parallelbus alle Datensignale innerhalb eines Zeitraums eintreffen, um die Anforderungen an die Einrichtung und Haltezeit des Empfängers zu erfüllen. Der Leiterplattendesigner sollte sicherstellen, dass ein solcher zulässiger Versatz nicht überschritten wird. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist die Längenanpassung erforderlich.

Die Differentialpaarsignale erfordern einen sehr engen Verzögerungsversatz zwischen den positiven und negativen Signalspuren. Daher sollten Längenunterschiede durch die Verwendung von Serpentinen ausgeglichen werden. Die Geometrie von Serpentinspuren sollte sorgfältig entworfen werden, wie in Abbildung ( 14 ) gezeigt, um die Impedanzdiskontinuität zu verringern.

Der Designer sollte die Serpentinenspuren an der Wurzel der Längeninkongruenz platzieren. Dies stellt sicher, dass die positiven und negativen Signalkomponenten synchron über die Verbindung übertragen werden, wie in Abbildung ( 15 ) gezeigt.

Die Biegungen sind normalerweise die Quelle von Längeninkongruenzen. Die Kompensation sollte sehr nahe an der Biegung mit einem maximalen Abstand von 15 mm gepflanzt werden, wie in der folgenden Abbildung ( 16 ) gezeigt.

Im Allgemeinen kompensieren sich zwei Biegungen gegenseitig. Wenn die Biegungen näher als 15 mm sind, ist keine zusätzliche Kompensation mit Serpentinen erforderlich. Die Signale sollten sich nicht asynchron über einen Abstand von mehr als 15 mm bewegen.

Die Nichtübereinstimmungen in jedem Segment einer Differentialpaarverbindung sollten einzeln abgeglichen werden. In der unten gezeigten Abbildung ( 18 ) trennen die Vias das Differentialpaar in zwei Segmente. Die Kurven müssen hier individuell ausgeglichen werden. Dies stellt sicher, dass die positiven und negativen Signale synchron durch die Vias übertragen werden. Die Demokratische Republik Kongo übersieht diesen Verstoß, da sie nur den Längenunterschied über die gesamte Verbindung überprüft.

Die Signalgeschwindigkeit ist nicht in allen Schichten einer Leiterplatte gleich. Da es schwierig ist, den Unterschied herauszufinden, ist es vorzuziehen, Signale auf derselben Ebene zu leiten, wenn sie angepasst werden müssen.

Einige der CAD-Tools berücksichtigen auch die Spurenlänge innerhalb eines Polsters bis zu seiner Gesamtlänge. Die unten gezeigte Abbildung zeigt zwei Layouts, die aus elektrischer Sicht ähnlich sind.

In Abbildung ( 20 ) links haben die Spuren in den Kondensatorpolstern keine gleiche Länge. Obwohl die Signale die internen Spuren nicht verwenden, betrachten einige CAD-Tools dies als Teil der Längenberechnung und zeigen einen Längenunterschied zwischen den positiven und negativen Signalen an. Um dies zu minimieren, stellen Sie sicher, dass der Pad-Eintrag für beide Signale gleich ist.

In gleicher Weise berücksichtigen einige CAD-Tools bei der Berechnung der Gesamtlänge nicht die Länge der Vias. Da Differentialpaare in beiden Spuren die gleiche Anzahl von Vias aufweisen sollten, hat der Fehler keinen Einfluss auf die Längenanpassung. Dies kann sich jedoch auf Berechnungen für das Abgleichen von zwei Differentialpaaren oder das Abgleichen von Parallelbussen auswirken.

Ein asymmetrischer Ausbruch des Differentialpaarsignals wird bevorzugt, wie in Abbildung ( 21 ) gezeigt, wo immer dies möglich ist, um die Serpentinspuren zu vermeiden.

Kleine Schleifen können für die kürzere Spur anstelle von Serpentinspuren eingeschlossen werden, wenn zwischen den Pads genügend Platz vorhanden ist. Dies wird im Allgemeinen einer Serpentinspur vorgezogen.

 

RICHTEN SIE DAS SIGNAL NICHT ÜBER EINE GETEILTE EBENE

Ein falsches SignalRückkehrpfadführt zu Rauschkupplungen und EMI-Problemen. Der Designer sollte immer an den Signalrücklaufweg denken, wenn er ein Signal weiterleitet. Die Leistungsschienen und Niedergeschwindigkeitssignale nehmen den kürzesten Rückstromweg ein, wie in Abbildung ( 23 ) gezeigt. Im Gegensatz dazu versucht der Rückstrom von Hochgeschwindigkeitssignalen, dem Signalweg zu folgen.

Ein Signal sollte nicht über eine geteilte Ebene geleitet werden, da der Rückweg der Signalspur nicht folgen kann. Siehe Abbildung ( 24 ). Wenn eine Ebene zwischen einer Spüle und einer Quelle aufgeteilt ist, leiten Sie die Signalspur um sie herum. Wenn die Vorwärts- und Rücklaufwege eines Signals getrennt sind, fungiert der Bereich zwischen ihnen als Schleifenantenne.

Nähkondensatoren sollten eingebaut werden, wenn ein Signal über zwei verschiedene Bezugsebenen geleitet werden muss. Der Nähkondensator ermöglicht es dem Rückstrom, von einer Bezugsebene zur anderen zu gelangen. Der Kondensator sollte nahe am Signalweg platziert werden, damit der Abstand zwischen Vorwärts- und Rückweg gering bleibt. Im Allgemeinen liegen die Werte von Nähkondensatoren zwischen 10 nF und 100 nF.

Im Allgemeinen müssen Flugzeughindernisse und Flugzeugschlitze vermieden werden. Wenn es wirklich notwendig ist, über ein solches Hindernis zu fahren, sollten Nähkondensatoren verwendet werden, wie in Abbildung ( 25 ) gezeigt.

Der Designer sollte in Bezugsebenen nach Hohlräumen ( ohne Kupferfläche ) Ausschau halten und dabei Hochgeschwindigkeitssignale ausliefern. Voide in Bezugsebenen werden erzeugt, wenn Vias nahe beieinander platziert werden, wie in Abbildung ( 25 ) gezeigt. Große Hohlräume sollten vermieden werden, indem eine angemessene Trennung zwischen den Vias sichergestellt wird. Es ist besser, weniger Boden- und Kraftvias zu platzieren, um über Hohlräume zu reduzieren.

Der Rückweg sollte an der Quelle und Senke eines Signals betrachtet werden. In der unten gezeigten Abbildung ( 27 ) wird das linke Design als schlechtes Design angesehen. Da auf der Quellseite nur ein einziger Grund vorhanden ist, kann der Rückstrom nicht wie beabsichtigt über die Referenzbodenebene zurückfahren. Der Rückweg ist die Bodenverbindung, die stattdessen auf der oberen Ebene vorhanden ist. Das vorliegende Problem besteht darin, dass die Impedanz der Signalspur als auf die Grundebene und nicht auf die Bodenspur auf der oberen Schicht bezogen berechnet wird. Daher ist es wichtig, Bodenvias an der Quell- und Sinkseite des Signals zu platzieren. Dadurch kann der Rückstrom wieder in die Grundebene zurückkehren, wie in Abbildung ( 27 ) rechts gezeigt.

Wenn eine Potenzebene als Referenz für ein Signal betrachtet wird, sollte das Signal in der Lage sein, sich über die Potenzebene zurückzubreiten. Die Signale werden in der Quelle und im Waschbecken auf Boden bezogen. Um den Verweis auf die Antriebsebene zu schalten, sollten Nähkondensatoren an der Spüle und der Quelle eingebaut werden. Wenn die Spüle und die Quelle dieselbe Leistungsschiene für ihre Versorgung verwenden, können die Bypass-Kondensatoren als Nähkondensatoren fungieren, wenn sie in der Nähe des Signalstarts platziert werden/Austrittspunkt wie in Abbildung ( 28 ) gezeigt. Der ideale Wert für den Nähkondensator liegt zwischen 10 nF und 100 nF.

Wenn ein Differentialsignal eine Schicht umschaltet, wird auch die Referenz Grundebene geschaltet. Daher sollten Nähvias in der Nähe der Ebenenänderungsvias hinzugefügt werden, wie in Abbildung ( 29 ) rechts gezeigt. Dadurch kann der Rückstrom die Grundebene ändern. Beim Umgang mit Differentialsignalen sollten die schaltenden Bodenvias symmetrisch platziert werden.

Wenn ein Signal zu einer anderen Schicht mit einer anderen Bezugsebene wechselt, sollten Nähkondensatoren implementiert werden. Dadurch kann der Rückstrom durch den Nähkondensator vom Boden zur Kraftebene fließen, wie in Abbildung 30 rechts dargestellt. Außerdem sollte die Platzierung und Verlegung des Nähkondensators symmetrisch sein, wenn Differentialpaare berücksichtigt werden.

Der Konstrukteur sollte keine Hochgeschwindigkeitssignale am Rand der Referenzebenen oder in der Nähe von Leiterplattenrändern weiterleiten. Dies kann sich nachteilig auf die Spurenimpedanz auswirken.

 

SEPARATE ANALOGE UND DIGITALE BODENFLUGZEUGE ZUR LÄRMREDUZIERUNG

Durch die Definition des Ansatzes für separate analoge und digitale Bodenabschnitte kann im Schema leicht bestimmt werden, welche Komponenten und Stifte mit dem digitalen Boden und welche mit dem analogen Bodenabschnitt verbunden werden sollen. Diese Art von Designs kann durch Platzieren von zwei verschiedenen Grundebenen als Referenz verlegt werden. Die beiden Ebenen sollten genau platziert werden. Die digitalen und analogen Komponenten sollten unter den jeweiligen Abschnitten platziert werden, wie in Abbildung ( 32, rechts ) gezeigt.

Die gemischten Signalschaltungen erfordern den analogen und digitalen Boden, der an einem einzigen Punkt angeschlossen ist. In den Schaltplänen wird immer empfohlen, Ferritperlen oder Null-Ohm-Widerstände zwischen den analogen und digitalen Abschnitten zu platzieren. Die Zusammenführung des digitalen und des analogen Bodens sollte in der Nähe der integrierten Schaltung erfolgen. Bei einem gemischten Signaldesign mit geteilten Ebenen sollte das digitale Signal nicht über eine analoge Grundebene geleitet werden und das analoge Signal sollte nicht über die digitale Grundebene geleitet werden.

 

TEILEN SIE DIE LAYOUTS VIRTUELL ZWISCHEN ANALOGEN UND DIGITALEN GRÜNDEN AUF

Im virtuellen Split-Ansatz werden der analoge und der digitale Grund im Schaltplan nicht getrennt. Auch die beiden Bodendomänen sind im Layout nicht elektrisch getrennt. Interessanterweise wird das Layout virtuell aufgeteilt, d. H. Eine imaginäre Trennung zwischen dem analogen und dem digitalen Boden. Die Komponenten sollten unter Berücksichtigung der korrekten Seite der praktisch geteilten Ebenen sorgfältig platziert werden.

Der Designer sollte die virtuelle Linie zwischen den beiden Bodendomänen während des Hochgeschwindigkeits-PCB-Routing-Prozesses berücksichtigen. Weder die digitale noch die analoge Signalspur dürfen die virtuelle Trennlinie überqueren. Die virtuelle Trennlinie sollte keine komplizierte Form haben, da keine ebene Behinderung vorliegt, um den analogen und digitalen Rückstrom getrennt zu halten.

DIE BESTE HOCHGESCHWINDIGKEITSLEISTUNG WIRD ERZIELT, WENN DIE BREITE DES BAUTEILS NAHE AN DER SPURBREITE LIEGT.

Lassen Sie uns unseren letzten Highspeed-PCB-Routing-Tipp verstehen. Das Board-Design beginnt mit dem Schema, insbesondere mit der Auswahl der Komponenten. Die Oberflächenmontagegeräte ( SMD ) werden bevorzugt, da kleinere Komponenten und kürzere Drähte zu stabileren Hochgeschwindigkeitsleistungen führen.

Die Auswahl des Pakets kann manchmal schwierig werden. Ein vorteilhaftes Kriterium ist die Betrachtung der Spurbreite, die für eine Impedanz von 50 Ohm berechnet wurde. Die besten Hochgeschwindigkeitsleistungen werden normalerweise erzielt, wenn die Breite des Bauteils nahe an der Spurbreite liegt. Dadurch werden die Probleme beim Impedanzabgleich zwischen der Spur und dem Komponentenblock verringert.

Die Impedanzinkongruenzen können reduziert werden, indem diejenigen Komponenten ausgewählt werden, deren Paket fast der Größe der berechneten Spurbreite entspricht. Die Testpunkte sollten in der schematischen Phase geplant werden.