Was Hochgeschwindigkeitselektroniksysteme betrifft, führt der Erfolg des Leiterplattendesigns direkt zur effektiven Problemlösung im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) sowohl in der Theorie als auch in der Praxis. Um den EMV-Standard zu erreichen,Hochgeschwindigkeits-PCB-Designsteht vor großen Herausforderungen, daher müssen Hochgeschwindigkeits-PCB-Designer in ihrem Designprozess die traditionelle Designphilosophie und -methoden aufgeben. Dieser Abschnitt analysiert hauptsächlich die Missverständnisse und Strategien im Prozess des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs aus der Perspektive der Praxis.
Dielektrizitätskonstante von Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterial
Bis jetzt gibt es hauptsächlich drei Entwurfstechniken im Bereich des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs: die Technik des PCB-Designs zur Rausch- und Verzögerungsreduzierung, die Technik zur Kontrolle von Impedanz und Ausbreitungsverzögerungszeit sowie die Bewertungstechnik mit der PCB-Impedanz als Parameter, wobei die letzten beiden Techniken das Herzstück vonLeiterplattenherstellung. Es gibt auch viele Techniken für Hochgeschwindigkeits-PCB-Übertragungen, und die am häufigsten verwendeten Grundstrukturen sind Microstrip- und Stripline-Leitungen. Was Hochgeschwindigkeits-PCB-Übertragungsleitungen betrifft, Z0das ist der Impedanzparameter und tpdDie Ausbreitungsverzögerungszeit ist eine der wichtigsten Variablen. Tatsächlich ist die Berechnungsformel unterschiedlich, wenn die Struktur des Mikrostreifens von der des Streifenleiters abweicht. In jedem Fall ist der Wellenwiderstand jedoch immer von der geometrischen Struktur der Übertragungsleitung abhängig. In den meisten Situationen wird die Dielektrizitätskonstante eines Teils des PCB-Materials durch Frequenz, Wasseraufnahmegrad der Fläche, Temperatur und elektrische Eigenschaften beeinflusst. Bei zwei- oder mehrlagigen Leiterplatten wird ihre Dielektrizitätskonstante durch das Verhältnis von Harz und Silizium im PCB-Material beeinflusst.
Heutzutage ist die am häufigsten verwendeteLeiterplattenmaterialist FR4. In der Regel geben Leiterplattenmateriallieferanten die Werte der Dielektrizitätskonstanten an, auf deren Grundlage Projekttechniker das Material verwenden. In der Praxis werden die Wertparameter normalerweise bei 1 MHz ermittelt, während die Dielektrizitätskonstante bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen offensichtliche Veränderungen aufweist, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Die drei Kurven in Abbildung 1 beziehen sich auf unterschiedliche Anteile von Silizium und Harz. Unter den drei Kurven ist Kurve A die höchste, B liegt im mittleren Bereich und C ist die niedrigste. Wenn die Bediener den Unterschied nicht bemerken, kann es zu großen Abweichungen zwischen Berechnungen oder Simulationsergebnissen und den tatsächlichen Gegebenheiten bei Impedanz und Ausbreitungsverzögerungszeit kommen, was sich auf das Signal-Integritätsdesign von Hochgeschwindigkeitssystemen auswirkt.
90°-Eckenproblem
Ein 90°-Winkel sollte beim PCB-Routing in den meisten Dokumenten vermieden werden, da er möglicherweise zu Impedanzdiskontinuitäten führen kann undElektromagnetische Störung(EMI)-Strahlung. Aus theoretischer Sicht ist die Breitenänderung an einer 90°-Ecke vergleichsweise groß, was zu einem hohen Widerstand und einer starken Impedanzdiskontinuität führt. Aus praktischer Sicht neigt die elektromagnetische Energie dazu, sich an den Ecken der Leiterbahn zu sammeln, und je spitzer die Ecke ist, desto mehr Energie sammelt sich dort. Basierend auf der obigen Analyse tritt die EMI-Strahlung an einer 90°-Ecke am stärksten hervor.
Einige Forscher stellen jedoch fest, dass der Einfluss einer 90°-Ecke auf die Impedanz innerhalb von 10 % liegt. Bei einer Leiterbahnbreite von 6 mil würde die kritische Länge im THz-Bereich liegen. Daher kann geschätzt werden, dass eine 90°-Ecke in der Praxis definitiv zu einer Impedanzdiskontinuität führt.
Daher, in der PraxisPCB-RoutingZumindest im GHz-Bereich ist es nicht notwendig, 90°-Ecken um jeden Preis zu vermeiden.
20-H-Prinzipien
Seit dem Auftreten der 20-H-Prinzipien von KNG wurden diese als Hauptprinzip für das High-Speed-PCB-Design akzeptiert. Einige Forscher geben sogar an, dass dieses Prinzip dazu in der Lage ist, die Umgebungsdichte elektromagnetischer Felder auf den betreffenden PCB-Schichten um etwa 70 % zu verringern. Außerdem spielt es eine wirksame Rolle bei der Reduzierung der nach außen gerichteten EMI-Strahlung. Viele Experimente unterstützen jedoch die Erwartungen der Forscher nicht.
Einige Experimente zeigen, dass das 20-H-Prinzip bei zweilagigen Leiterplatten zu einer stärkeren Strahlung führt, während die Anwendung des 20-H-Prinzips in der inneren Mittelschicht bei mehrlagigen Leiterplatten keine offensichtliche Verbesserung bringt.
Filterkondensator-Parameter
Die Filterkapazität ist eine erprobte, effektive und wirtschaftliche Maßnahme zur Lösung von EMV-Problemen in elektronischen Systemen. Allerdings stellt ein Hochgeschwindigkeits-Elektroniksystem neue Anforderungen an die Leistung und das anwendbare Design der Filterkapazität. Das vereinfachte Modell der Filterkapazität ist in Abbildung 2 dargestellt.
Es muss die folgende Anforderung erfüllen: ZC< ZS// ZL(ZC=1/2πfC). Ein häufiges Missverständnis besagt, dass solange ZCist kleiner als ZL, kann der Zweck der Filterkapazität erreicht werden. Tatsächlich können die Parameter der Filterkapazität nicht bestimmt werden, solange die Werte von Z nicht bekannt sind.Sund ZLwerden entschieden.
In Hochgeschwindigkeits-Schaltungen ist jedoch weder ZSnoch ZList reiner Widerstand, der komplexe Werte benötigt. Inzwischen, ZCIn Hochgeschwindigkeits-Schaltungen handelt es sich nicht um reine Kapazität, sondern sowohl der äquivalente Serienwiderstand als auch die äquivalente Serieninduktivität müssen berücksichtigt werden. All dies sind Schwierigkeiten bei der Anwendung von Filterkondensatoren in Hochgeschwindigkeits-Elektroniksystemen. Wenn Designer diese Aspekte ignorieren, treten offensichtliche Unterschiede zwischen Berechnungen oder Simulationsergebnissen und der Praxis auf.
Siliziumverpackung
PCB-Designer neigen dazu, dem PCB-Layout und den Verbindungen zwischen den Komponenten auf den Leiterplatten die meiste Aufmerksamkeit zu schenken und die Bedeutung vonKomponentenverpackungTatsächlich kann dies ernsthafte Auswirkungen auf das High-Speed-PCB-Design haben. Das Silizium-Gehäuse beeinflusst die Leistung des Siliziums durch die parasitäre Induktivität, den parasitären Widerstand und die parasitäre Kapazität, die über die Verbindungsleitungen und Anschlüsse verlaufen. Diese Parameter erzeugen Rauschen, Kommunikationsverzögerungen, Flankensteilheit und Frequenzgang. Die parasitären Parameter verschiedener Gehäuse können sich erheblich unterscheiden. Für Silizium mit derselben Schaltung, aber unterschiedlicher Verpackung zeigen sich unterschiedliche Leistungsmerkmale.
Tatsächlich sind bei Hochgeschwindigkeits-Elektroniksystemen das Siliziumdesign, das Verpackungsdesign und das Platinen-Design niemals voneinander unabhängig. Für den Designablauf auf Siliziumebene muss ein geeignetes Gehäuse entsprechend der Leiterplatte ausgewählt werden. Das Gesamtlayout des Siliziumdesigns wird sowohl von technischen Aspekten als auch von Elementen auf Platinenebene beeinflusst. Beim Siliziumgehäuse muss dessen Kompatibilität mit der Leiterplatte berücksichtigt werden. Noch wichtiger ist, dass ein geeignetes Gehäuse erheblich zur Integrität auf Platinenebene sowie zur Lösung von EMC/EMI-Problemen beiträgt. Daher sollte das Siliziumgehäuse niemals ignoriert oder unterschätzt werden.
Gleichtaktstrom-Strahlungsstörung
In den Signalübertragungsleitungen der Leiterplatte (PCB) existieren sowohl Differenzstrom, der nützliche Signale überträgt, als auch Gleichtaktstrom ohne nützliche Informationen, von denen beide EMI-Strahlung erzeugen.
Aufgrund seines relativ hohen Stroms wurde der Gleichtaktstrom von Schaltungsentwicklern betont, was zur Entstehung von Theorien und Techniken zur Kontrolle der Gleichtaktstrom-EMI-Strahlung geführt hat. Infolgedessen verfügen einige EDA-Tools über Funktionen zur Simulation und Vorhersage der Gleichtaktstrom-EMI-Strahlung. Im Vergleich zum Gleichtaktstrom ist jedoch der Gegentaktstrom viel geringer, was leicht dazu führt, dass Entwickler die EMI-Strahlung des Gegentaktstroms übersehen.
Dennoch zeigen aktuelle Forschungen, dass obwohl der Gleichtaktstrom viel kleiner ist als der Gegentaktstrom, die durch erstgenannten erzeugte EMI-Strahlungsstörung viel größer ist als die durch letzteren verursachte. Bis heute ist die EMI-Strahlung durch Gleichtaktstrom zu einer der Hauptstörquellen für Strahlung auf hochmodernen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten geworden. Noch schlimmer ist, dass die Entstehung der EMI-Strahlung durch Gleichtaktstrom auf komplexe Ursachen zurückzuführen ist und weder eine Simulation noch eine Vorhersage möglich ist. Darüber hinaus befindet sich die Forschung zur Kontrolle der EMI-Strahlung durch Gleichtaktstrom noch im Gange.
Daher ist es beim Entwurf von Hochgeschwindigkeits-PCBs unzuverlässig, die EMI-Strahlung nur auf Basis der durch Differenzstrom verursachten EMI-Strahlung zu simulieren und vorherzusagen.
