Die meisten Leiterplattendesigns beginnen mit einem korrekten und verifizierten Schaltplan. Die schwierige Aufgabe besteht dann darin, das Schaltplandesign in eine endgültige Leiterplatte zu überführen. Sehr oft funktioniert die Leiterplatte nicht, obwohl der ursprüngliche Schaltungsentwurf mit Sorgfalt erstellt wurde. Selbst wenn ein Schaltplan mithilfe einer Simulation verifiziert wurde, berücksichtigt die Simulation des Designs nicht, dass die Besonderheiten derPCB-Layoutkönnen unvorhergesehene Fehlerquellen in eine Designimplementierung einbringen. Dies gilt insbesondere, wenn in einem Design neuere und schnellere Komponenten mit ihren entsprechend höheren Taktraten verwendet werden. Darüber hinaus nehmen auch die Datenübertragungsgeschwindigkeiten zwischen Geräten kontinuierlich zu und unterliegen denselben Arten von Fehlerquellen. Diese Geschwindigkeitssteigerungen führen dazu, dass die in PCB-Layouts inhärenten kleinen Kapazitäts- und Induktivitätswerte das PCB-Design einer Schaltung zum Scheitern bringen können.
Neben der Sicherstellung, dass eine Leiterplatte funktionsfähig ist, sind zusätzliche Anforderungen in Bezug auf die Störfestigkeit Ihres Designs gegenüber abgestrahlten Störungen und den von ihm verursachten abgestrahlten Störungen von großer Bedeutung für die Zulassung eines endgültigen Designs. Daher ist bei der Entwicklung Ihrer nächsten Leiterplattenanwendung, die Hochgeschwindigkeitssignale umfasst, größte Sorgfalt darauf zu verwenden, Probleme mit elektromagnetischen Störungen zu minimieren.
Beispiele für Hochgeschwindigkeitssignale sind Taktsignale und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsschnittstellen. Mit einigen einfachen Regeln können die Signalintegrität und die elektromagnetischen Störpegel Ihres nächsten Designs verbessert werden – ganz ohne komplexe mathematische Modelle oder aufwendige und teure Simulationswerkzeuge. Dieser Artikel stellt eine Reihe dieser einfachen Regeln vor, denen Sie folgen können, um den Erfolg Ihres nächsten Designs mit Hochgeschwindigkeitssignalen sicherzustellen.
Hintergrund
In diesem Abschnitt werden wir einige der Ursachen für Hochgeschwindigkeits-Layoutfehler und verwandte Konzepte erörtern; im nächsten Abschnitt werden allgemeine Regeln zur Minderung dieser Fehlerquellen vorgestellt.
1. Elektromagnetische Störungen und elektromagnetische Verträglichkeit
Elektromagnetische Störungen sind Hochfrequenzrauschen, das den Betrieb eines Geräts beeinträchtigt. Andererseits,elektromagnetische Verträglichkeitbezieht sich auf die Begrenzung der von einem Gerät ausgesendeten elektromagnetischen Störpegel. Alle Geräte emittieren ein gewisses Maß an elektromagnetischen Störungen und nehmen gleichzeitig eine bestimmte Menge elektromagnetischer Störungen auf. Das Ziel eines PCB-Designers sollte sein, beide Größen auf ein vernünftiges Maß zu reduzieren. Es ist außerdem zu beachten, dass es etablierte FCC- und CISPR-Normen für das zulässige Maß an EMI gibt, das Geräte abstrahlen dürfen.
2. Taktsignale
Taktsignale, die üblicherweise zum Ansteuern von Mikroprozessoren und Kommunikationsschnittstellen verwendet werden, sollten idealerweise Rechtecksignale sein, sind es in der Realität jedoch nicht. Tatsächlich handelt es sich um eine Kombination von Signalen mit der nominalen Taktfrequenz und den Oberwellenfrequenzen oberhalb der Taktfrequenz. Daher muss die EMV sowohl bei der in einem Design verwendeten Taktfrequenz als auch bei den Oberwellen der Taktfrequenz oberhalb der nominalen Taktfrequenz berücksichtigt werden.
3. Übertragungsleitungen
Bei höheren Frequenzen beginnen Übertragungsleitungseffekte selbst auf derLeiterplatteEbene. Immer dann, wenn die Frequenz einer Signalleitung dazu führt, dass dieses Signal eine Wellenlänge in der Größenordnung der zugehörigen Leiterbahn auf der Leiterplatte hat, sollte der Wellenwiderstand (charakteristische Impedanz) der Leiterbahn berücksichtigt werden, um Reflexionen aufgrund von Impedanzfehlanpassungen zu verhindern. Im allgemeinsten Sinne muss der PCB-Designer sich die Zeit nehmen, die Impedanz der Leiterbahnen an die der Transceiver anzupassen, die durch diese Leiterbahnen verbunden werden. Die Verwendung einer Microstrip-Leitung (eine Leiterbahn mit definierter Breite über einer Versorgungsebene) oder einer Stripline (eine Leiterbahn mit definierter Breite zwischen zwei Versorgungsebenen) sind gängige Methoden zur Kontrolle der Impedanz einer Übertragungsleitung auf Leiterplattenebene.
Es ist auch üblich, dass Transceiver Eingänge mit hoher Impedanz haben. In diesem Fall muss die Verbindungsleitung so abgeschlossen werden, dass sie der Wellenimpedanz der angeschlossenen Übertragungsleitung entspricht. Es gibt mehrere gängige Abschlussverfahren, deren Recherche jedoch dem Leser überlassen bleibt, da sie den Rahmen dieses Artikels sprengen würden.
4. Übersprechen
Wenn zwei Leiterbahnen nebeneinander liegen, sind sie induktiv und kapazitiv gekoppelt (häufig als Übersprechen bezeichnet), was dazu führen kann, dass die eine die Funktion der anderen beeinträchtigt. Die grundlegendste Methode zur Beseitigung dieser Art von Störungen besteht darin, die Leiterbahnen weiter voneinander zu trennen. Übersprechen kann auch durch den Einsatz von Versorgungsebenen verringert werden, um das Übersprech-Niveau zu unterdrücken.
5. Differentielle Signale
Eine weitere Möglichkeit, mit Rauschen in einem Kommunikationspfad umzugehen, ist die Verwendung differentieller Signale. Differentielle Signale sind im Potential gleich und entgegengesetzt. Dementsprechend sind zwei Leiterbahnen dafür verantwortlich, ein Signal zwischen Geräten zu übertragen, und der Wert des Signals wird durch die Potentialdifferenz auf den beiden Leiterbahnen bestimmt, nicht durch das absolute Potential der einzelnen Leiterbahnen. Dadurch sind differentielle Signale unempfindlich gegenüber Übersprechen und praktisch unempfindlich gegenüber abgestrahltem Rauschen.
6. Rückstrom- und Schleifenbereiche
Bei der Betrachtung von Hochfrequenz-Layouts muss auch der Rückstrompfad eines Signals berücksichtigt werden. In Gleichstromschaltungen ist der Rückstrompfad der Weg mit dem geringsten Widerstand, bei Wechselstromsignalen hingegen ist der Rückstrompfad der Weg mit der geringsten Impedanz. Das Ergebnis ist, dass der Rückstrompfad eines Hochfrequenzsignals direkt neben der Leiterbahn dieses Signals verläuft. Normalerweise ist der Unterschied im Rückstrompfad kein Problem, wenn die Signalleiterbahn über einer Massefläche geführt wird, kann jedoch problematisch werden, wenn die Massefläche unter der Signalleiterbahn unterbrochen ist. Das Ergebnis ist, dass eine Unterbrechung im Rückstrompfad des Signals eine Schleife bildet. Schleifen sind zu vermeiden, da sie wesentlich effektivere EMV-Strahler sind und die elektromagnetische Verträglichkeit eines Designs negativ beeinflussen.
Praktische Gestaltungstipps
Nachdem wir eine kurze Diskussion über die Quellen von Hochgeschwindigkeitssignalrauschen präsentiert haben, können wir nun zu spezifischeren Layouttipps übergehen.
Bevor Sie Ihr nächstesHochgeschwindigkeits‑LeiterplattendesignZunächst müssen Sie sich die Gesamtanforderungen des Designs ansehen. Gute Fragen, die Sie sich stellen sollten, sind: Was ist die höchste Frequenz im System? Müssen Sie eine Microstrip- oder Stripline-Leitung verwenden, um das für das Design erforderliche Maß an Rauschunterdrückung zu erreichen? Welche Signale in Ihrem Design sind empfindlich? Welche sind dieMindesttoleranzenvom Leiterplattenhersteller gefordert? Gibt es empfindliche Verbindungen zwischen den Funktionsgruppen des Designs? Mit diesen Antworten in der Hand kann ein allgemeiner Überblick über den Aufbau und die Zusammensetzung der Leiterplatte gewonnen werden.
1. Leiterplattenaufbau
Eine der grundlegendsten Überlegungen bei einem neuen Schaltungsentwurf ist diePCB-Stackup. Wenn keine empfindlichen Signale zu schützen sind, kann eine herkömmliche 2-lagige Leiterplatte ausreichen. Wenn Sie Signale als Stripline führen müssen, benötigen Sie einen 6-lagigen Lagenaufbau. Eine 4-lagige Leiterplatte kann ebenfalls eine gute Zwischenlösung sein.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass Sie, wenn Sie den Lagenaufbau so gestalten können, dass die Versorgungsebenen sehr dicht beieinander liegen, den Bedarf an Entkopplungskondensatoren mit kleinen Werten in Ihrem Design verringern können. Schließlich werden Sie, wenn Sie die Quellen und Senken Ihres Hochgeschwindigkeitssignals nahe beieinander auf der Leiterplatte platzieren können, einen großen Teil der mit diesen Signalen verbundenen EMI- und EMV-Probleme eliminieren können.
2. Leistungs- und Masseflächen
Die grundlegendste Voraussetzung für ein Hochgeschwindigkeitsdesign ist die Implementierung einer durchgehenden Massefläche. Es kann außerdem von großem Vorteil sein, auch eine durchgehende Versorgungsfläche vorzusehen, was jedoch erfordert, dass das Design auf einem Vierlagen- oder höherwertigen Lagenaufbau basiert. Es ist zudem vorteilhaft, Signalleitungen sehr nahe an Versorgungsflächen zu platzieren, was ebenfalls bei der Auswahl des Lagenaufbaus für das endgültige Design berücksichtigt werden sollte.
Wenn Teile einer Stromversorgungsfläche aufgeteilt werden, ist es ebenfalls wichtig zu bedenken, dass Hochgeschwindigkeitssignale einen Rückstrom haben, der dem Weg der geringsten Impedanz und nicht dem geringsten Widerstand folgt. Achten Sie darauf, den Rückstrompfad eines Hochgeschwindigkeitssignals zwischen Quelle und Senke nicht zu unterbrechen. Wenn Sie eine Massefläche auftrennen müssen, versuchen Sie, keine Signalleitungen über diese Unterbrechung zu führen. Falls Sie dies doch tun, sollten Sie in Erwägung ziehen, die Massefläche entlang der Signalleitung mit einem 0-Ohm-Widerstand wieder zu verbinden. Kurz gesagt: Verwenden Sie in Ihrem Design so gleichmäßige und ununterbrochene Masse- und Versorgungsflächen wie möglich.
3. Zusätzliche Themen
Entkopplungskondensatoren sind wichtig, um für Hochfrequenzsignale niederimpedante Pfade zu Masse und Versorgung bereitzustellen. Im Allgemeinen müssen Sie mehrere unterschiedliche Kapazitätswerte verwenden, um Hochfrequenzrauschen über einen Frequenzbereich hinweg zu unterdrücken. Platzieren Sie beim Anordnen der Kondensatoren den Kondensator mit dem kleinsten Wert am nächsten an dem Bauteil, das Sie schützen möchten, und fahren Sie dann mit Kondensatoren immer größerer Kapazität fort. Achten Sie außerdem darauf, dass der Kondensator zwischen dem Bauteil und der Versorgungsebene platziert wird, die der Kondensator entkoppelt. Dies stellt sicher, dass das Bauteil tatsächlich durch den Kondensator entkoppelt wird.
Weitere allgemeine Tipps umfassen:
• Das Abrunden von Leiterbahn-Ecken kann das von einem Signal abgestrahlte EMI-Niveau verringern. Dies liegt daran, dass abrupte Änderungen in den Leiterbahnen zu höheren Kapazitätswerten führen und außerdem Hochgeschwindigkeits-Signalreflexionen verursachen.
• Um das Übersprechen zwischen Signalleitungen, einschließlich solcher auf unterschiedlichen Ebenen, zu minimieren, stellen Sie sicher, dass sie sich im rechten Winkel kreuzen.
• Vermeiden Sie Vias in Signalleitungen. Vias verändern den Wellenwiderstand der Leitung und können Reflexionen verursachen. Wenn Sie Vias in differentiellen Signalleitungen verwenden müssen, sollten Sie außerdem in Betracht ziehen, sie in beiden Leitungen zu platzieren, um sicherzustellen, dass ihre Wirkung in beiden Leitungen gleich ist.
• Berücksichtigen Sie den durch den Einsatz von Vias entstehenden Stummel. Ziehen Sie in Betracht, Blind- oder vergrabene Vias anstelle herkömmlicher Vias zu verwenden.
• Berücksichtigen Sie Verzögerungen bei der Verwendung einer verteilten Taktlösung. Vermeiden Sie Abzweigungen und gleichen Sie die Leiterbahnlängen vom Takt zu den angeschlossenen Geräten an. Es ist oft ratsam, einen Takt-Treiber zu verwenden.
