Risposte brevi a grandi domande sulla progettazione di PCB

Q1: Come scegliere il materiale del PCB (Printed Circuit Board)?

A1:Materiale PCBdeve essere selezionato interamente in base all’equilibrio tra requisiti di progettazione, produzione in grandi volumi e costo. I requisiti di progettazione riguardano elementi elettrici che devono essere presi seriamente in considerazione durante la progettazione di PCB ad alta velocità. Inoltre, è necessario considerare se la costante dielettrica e la perdita dielettrica siano adeguate alla frequenza.

Q2: Come evitare le interferenze ad alta frequenza?

A2: Il principio guida per superare le interferenze ad alta frequenza è ridurre il più possibile il crosstalk, il che può essere ottenuto aumentando la distanza tra i segnali ad alta velocità e i segnali analogici oppure predisponendo piste di guardia di massa o piste di shunt accanto ai segnali analogici. Inoltre, si deve considerare con attenzione l’interferenza di rumore causata dalla massa digitale sulla massa analogica.

Q3: Come disporre le tracce che trasportano segnali differenziali?

A3: Due punti dovrebbero essere considerati nella progettazione delle tracce che trasportano segnali differenziali. Da un lato, la lunghezza delle due linee dovrebbe essere la stessa; dall’altro, la distanza tra le due linee dovrebbe rimanere parallela.

Q4: Come disporre le tracce che trasportano segnali differenziali quando è presente una sola linea di segnale di clock al terminale di uscita?

A4: Il presupposto per instradare le tracce che trasportano segnali differenziali è che sia le sorgenti di segnale sia l’estremità di ricezione debbano essere segnali differenziali. Pertanto, il routing differenziale non può mai funzionare su segnali di clock che contengono una sola uscita.

Q5: È possibile aggiungere una resistenza adattata tra le coppie differenziali all'estremità di ricezione?

A5: Una resistenza adattata viene solitamente aggiunta tra le coppie differenziali all’estremità di ricezione e il suo valore è uguale a quello dell’impedenza differenziale. Di conseguenza, la qualità del segnale sarà migliore.

D6: Perché le tracce delle coppie differenziali devono essere vicine tra loro e parallele?

A6: Le tracce delle coppie differenziali devono essere opportunamente ravvicinate e parallele. La distanza tra le tracce della coppia differenziale è determinata dall’impedenza differenziale, che è un parametro di riferimento chiave nella progettazione delle coppie differenziali.

Q7: Come risolvere i conflitti tra il routing manuale e l’auto-routing sui segnali ad alta velocità?

A7: Ora la maggior parte dei router automatici è in grado di controllare il metodo di instradamento dei fili e il numero di fori passanti impostando condizioni di vincolo. Tutte le aziende EDA differiscono notevolmente tra loro in termini di metodi di instradamento dei fili e impostazione delle condizioni di vincolo. La difficoltà dell’instradamento automatico è strettamente correlata alla capacità di instradamento. Pertanto, questo problema può essere risolto scegliendo un router con un’elevata capacità di instradamento.

Q8: Nel progetto di PCB ad alta velocità, l’area vuota degli strati di segnale può essere rivestita di rame. Come dovrebbe essere distribuito il rame sui vari strati di segnale per quanto riguarda massa e alimentazione?

A8: In generale, il rivestimento in rame è per lo più collegato alla massa nelle aree vuote. La distanza tra il rivestimento in rame e le linee di segnale deve essere rigorosamente progettata, perché il rame rivestito ridurrà leggermente l’impedenza caratteristica. Allo stesso tempo, l’impedenza caratteristica degli altri strati non dovrebbe essere influenzata.

Q9: L’impedenza caratteristica su un piano di alimentazione può essere determinata tramite il modello di linea microstrip? Il modello di linea microstrip può essere utilizzato per i segnali tra il piano di alimentazione e il piano di massa?

A9: Sì. Durante la procedura di calcolo dell’impedenza caratteristica, sia il piano di alimentazione che il piano di massa possono essere considerati come piani di riferimento.

Q10: I punti di test generati tramite automazione su PCB ad alta densità possono soddisfare le esigenze di collaudo della produzione di massa?

A10: Tutto dipende dal caso, ovvero se le norme sui punti di test sono compatibili con i requisiti imposti dalle macchine di collaudo. Inoltre, se il routing è troppo denso e le norme sui punti di test sono molto rigide, potrebbe non essere possibile inserire punti di test su ogni tratto di linea. Naturalmente, si possono utilizzare metodi manuali per integrare i punti di test.

Q11: L'aggiunta di punti di test può influenzare la qualità dei segnali ad alta velocità?

A11: Tutto dipende dal caso, dal metodo di aggiunta dei punti di test e dalla velocità di funzionamento dei segnali. In linea di massima, i punti di test vengono ottenuti aggiungendoli alle linee oppure estraendo un segmento. Entrambi i metodi possono influenzare in una certa misura i segnali ad alta velocità e l’entità dell’effetto è correlata alla frequenza, alla velocità e al rateo di salita dei segnali.

Q12: Quando un paio di PCB sono collegati in un sistema, come si devono collegare le linee di massa di ciascun PCB?

A12: In base alla legge di Kirchhoff sulle correnti, quando l’alimentazione o i segnali vengono inviati dalla Scheda A alla Scheda B, una quantità equivalente di corrente verrà restituita alla Scheda A dal piano di massa e la corrente sul piano di massa rifluirà lungo il percorso in cui l’impedenza è più bassa. Pertanto, il numero di pin collegati al piano di massa non dovrebbe mai essere troppo ridotto in ciascuna interfaccia di interconnessione di alimentazione o segnale, in modo da ridurre sia l’impedenza sia il rumore sulla massa. Inoltre, l’intero anello di corrente dovrebbe essere analizzato, in particolare la porzione in cui la corrente è maggiore, e il collegamento del piano di massa o delle linee di massa dovrebbe essere regolato per controllare il percorso della corrente e diminuire l’influenza su altri segnali sensibili.

Q13: È possibile aggiungere linee di massa al centro delle linee di segnale differenziale?

A13: Fondamentalmente, non è possibile aggiungere linee di massa tra le linee di segnale differenziale, perché il significato principale del principio delle linee di segnale differenziale risiede nel vantaggio derivante dall’accoppiamento reciproco tra le linee di segnale differenziale, come la cancellazione del flusso, l’immunità al rumore, ecc. L’effetto di accoppiamento verrebbe distrutto se si aggiungessero linee di massa tra di esse.

Q14: Qual è il principio per scegliere un PCB adatto e il punto di messa a terra della copertura?

A14: Il principio consiste nello sfruttare la massa del telaio per fornire un percorso a bassa impedenza per la corrente di ritorno e per controllare il percorso di questa corrente di ritorno. Ad esempio, una vite può essere normalmente utilizzata vicino a componenti ad alta frequenza o al generatore di clock per collegare il piano di massa del PCB alla massa del telaio, in modo da ridurre il più possibile l’area complessiva dell’anello di corrente, cioè per ridurre le interferenze elettromagnetiche.

Q15: Da dove dovrebbe iniziare il debug del PCB?

A15: Per quanto riguarda il circuito digitale, le seguenti operazioni devono essere eseguite in ordine. Per prima cosa, tutti i valori di alimentazione devono essere verificati affinché soddisfino in media i requisiti di progetto. In secondo luogo, tutte le frequenze dei segnali di clock devono essere verificate per assicurare un funzionamento normale e che non vi siano problemi di non monotonicità sul fronte. In terzo luogo, i segnali di reset devono essere verificati affinché soddisfino i requisiti standard. Se quanto sopra è stato confermato, il chip dovrebbe emettere segnali nel primo ciclo. Successivamente, il debug verrà eseguito sulla base del protocollo di funzionamento del sistema e del protocollo di bus.

Q16: Qual è il modo migliore per progettare un PCB ad alta velocità e alta densità con un'area di scheda fissa?

A16: Nel processo di progettazione di PCB ad alta velocità e alta densità, occorre prestare particolare attenzione alle interferenze di diafonia, poiché influiscono notevolmente sul timing e sull’integrità del segnale. Vengono fornite alcune soluzioni di progettazione. In primo luogo, è necessario controllare la continuità e l’adattamento dell’impedenza caratteristica delle tracce. In secondo luogo, bisogna prestare attenzione alle spaziature, che normalmente sono pari al doppio della larghezza della traccia. In terzo luogo, occorre scegliere metodi di terminazione appropriati. In quarto luogo, il routing negli strati adiacenti dovrebbe essere realizzato in direzioni differenti. In quinto luogo, si possono utilizzare via ciechi/sepolti per aumentare l’area di instradamento. Inoltre, è necessario mantenere la terminazione differenziale e la terminazione in modo comune per ridurre l’influenza sul timing e sull’integrità del segnale.

Q17: Il circuito LC è solitamente utilizzato per filtrare onde nella potenza analogica. Perché a volte l’LC funziona meglio dell’RC?

A17: Il confronto tra LC e RC dovrebbe basarsi sull’ipotesi che la banda di frequenza e l’induttanza siano selezionate in modo appropriato. Poiché la reattanza dell’induttanza è correlata all’induttanza e alla frequenza, se la frequenza del rumore di alimentazione è troppo bassa e l’induttanza non è sufficientemente elevata, l’LC funziona peggio dell’RC. Tuttavia, uno degli svantaggi dell’RC risiede nel fatto che il resistore stesso consuma energia con bassa efficienza.

Q18: Qual è il modo ottimale per soddisfare i requisiti EMC senza pressione sui costi?

A18: Il PCB comporta costi più elevati a causa dell’EMC di solito perché il numero di strati aumenta per rafforzare la capacità di schermatura e vengono predisposti alcuni componenti come perline di ferrite o induttanze di blocco che vengono utilizzate per sopprimere le componenti d’onda armonica ad alta frequenza. Inoltre, dovrebbero essere utilizzate altre strutture di schermatura su altri sistemi persoddisfare i requisiti EMC. In primo luogo, è opportuno utilizzare il più possibile componenti con bassa velocità di variazione (slew rate) in modo da ridurre le porzioni ad alta frequenza generate dai segnali. In secondo luogo, i componenti ad alta frequenza non devono mai essere posizionati troppo vicino ai connettori esterni. In terzo luogo, il matching di impedenza, lo strato di instradamento e il percorso di corrente di ritorno dei segnali ad alta velocità devono essere progettati con attenzione per ridurre la riflessione e la radiazione ad alta frequenza. In quarto luogo, è necessario collocare sufficienti condensatori di disaccoppiamento sui pin di alimentazione per ridurre il rumore sul piano di alimentazione e sul piano di massa. In quinto luogo, la massa vicino al connettore esterno può essere separata dal piano di massa e la massa del connettore dovrebbe essere vicina alla massa dello chassis.

Q19: Quando un circuito stampato (PCB) include più moduli digitali/analogici, la soluzione comune è separare i moduli digitali da quelli analogici. Perché?

A19: Il motivo per cui si dividono i moduli digitali e analogici è che il rumore viene solitamente generato sull’alimentazione e sulla massa durante la commutazione tra potenziale alto e basso, e l’entità del rumore è correlata alla velocità del segnale e all’ampiezza della corrente. Se i moduli analogici e digitali non sono separati e il rumore generato dal modulo digitale è maggiore e il circuito nell’area analogica è simile, anche se i segnali analogici e digitali non si incrociano, i segnali analogici saranno comunque influenzati dal rumore.

Q20: Quando si tratta di progettazione PCB ad alta velocità, come dovrebbe essere implementato il matching di impedenza?

A20: Per quanto riguarda la progettazione di PCB ad alta velocità,adattamento di impedenzaè una delle considerazioni principali. L’impedenza presenta una relazione assoluta con il routing. Ad esempio, l’impedenza caratteristica è determinata da una serie di elementi, tra cui la distanza tra lo strato di microstrip o stripline/double stripline e lo strato di riferimento, la larghezza del routing, il materiale del PCB ecc. In altre parole, l’impedenza caratteristica non può mai essere determinata prima del routing. La soluzione essenziale a questo problema è evitare il più possibile che si verifichino discontinuità di impedenza.

Q21: Nel processo di progettazione di PCB ad alta velocità, quali misure dovrebbero essere adottate tenendo conto di EMC/EMI?

A21: In generale, la progettazione EMI/EMC dovrebbe essere considerata sia dal punto di vista delle emissioni irradiate che di quelle condotte. Le prime appartengono alla porzione con frequenza più alta (maggiore di 30 MHz), mentre le seconde alla porzione con frequenza più bassa (inferiore a 30 MHz). Pertanto, occorre prestare attenzione sia alla porzione ad alta frequenza che a quella a bassa frequenza. Una buona progettazione EMI/EMC dovrebbe iniziare dal posizionamento dei componenti,Struttura a strati del PCB, instradamento, selezione dei componenti ecc. Una volta che questi aspetti vengono trascurati, i costi potrebbero aumentare. Ad esempio, il generatore di clock non dovrebbe essere il più possibile vicino al connettore esterno. Inoltre, i punti di collegamento tra PCB e chassis dovrebbero essere selezionati correttamente.

Q22: Che cos'è la topologia di instradamento?

A22: La topologia di instradamento, chiamata anche ordine di instradamento, si riferisce all’ordine di instradamento in una rete con più terminatori.

Q23: Come dovrebbe essere regolata la topologia di instradamento per aumentareintegrità del segnale?

A23: Questo tipo di segnali di rete è talmente complesso che la topologia varia in base alle diverse direzioni, ai diversi livelli e ai diversi tipi di segnali. Pertanto, è difficile stabilire quale tipo di segnale sia vantaggioso per la qualità del segnale.

Q24: Qual è il motivo del rivestimento in rame?

A24: Di solito ci sono un paio di motivi per il rivestimento in rame. Primo, un ampio rivestimento in rame di massa o di alimentazione avrà un effetto di schermatura e alcune masse speciali, come ad esempio PGND, possono avere una funzione di protezione. Secondo, per garantire l’elevata qualità della galvanizzazione o evitare che la laminazione si deformi, il rame dovrebbe essere applicato sulle aree del PCB con meno piste. Terzo, il rivestimento in rame deriva dai requisiti di integrità del segnale. Bisogna fornire un percorso di ritorno completo ai segnali digitali ad alta frequenza e ridurre il routing della rete in corrente continua (DC). Inoltre, occorre considerare anche la dissipazione termica.

Q25: Che cos'è la corrente di ritorno?

A25: Quando i segnali digitali ad alta velocità sono in funzione, i segnali fluiscono dai driver al carrier lungo la linea di trasmissione del PCB e poi ritornano al terminale del driver attraverso il percorso più breve lungo il piano di massa o di alimentazione. I segnali di ritorno sulla massa o sull’alimentazione sono chiamati corrente di ritorno.

D26: Quanti tipi di terminali esistono?

A26: Il terminale, chiamato anche adattamento, è solitamente classificato in adattamento lato sorgente e adattamento lato terminale. Il primo si riferisce all’adattamento con resistore in serie, mentre il secondo si riferisce all’adattamento in parallelo. Sono disponibili molti metodi, tra cui resistore di pull-up, resistore di pull-down, adattamento Davenan, adattamento in AC, adattamento con diodo Schottky, ecc.

D27: Quali elementi possono determinare i tipi di corrispondenza?

A27: Il tipo di adattamento è solitamente determinato dalle caratteristiche del BUFFER, dalla topologia, dalle classificazioni di livello e dal tipo di giudizio. Inoltre, devono essere considerati anche il duty cycle del segnale e il consumo energetico del sistema.

Q28: Quale ispezione deve essere effettuata sul PCB prima che venga rilasciato dalla fabbrica di produzione?

A28: La maggior parte dei produttori di PCB esegue un test di accensione/spegnimento sui PCB prima che lascino la fabbrica, al fine di assicurarsi che tutti i circuiti siano correttamente collegati. Fino ad ora, alcuni produttori avanzati effettuano un’ispezione a raggi X per individuare alcuni difetti nell’incisione o nella laminazione. Per quanto riguarda i prodotti che passano attraverso l’assemblaggio SMT, di solito viene applicato l’ICT, il che richiede l’impostazione di punti di test ICT durante la fase di progettazione del PCB. Non appena si verificano dei problemi, un tipo speciale diIspezione a raggi Xpuò essere utilizzato anche.

Q29: Per un circuito composto da un paio di schede PCB, dovrebbero condividere la stessa massa?

A29: Un circuito composto da un paio di schede PCB dovrebbe normalmente condividere la stessa massa, perché è poco pratico applicare un paio di alimentazioni in un singolo circuito. Naturalmente, se le condizioni lo permettono, si possono usare anche alimentazioni diverse. Dopotutto, questo aiuterà a ridurre le interferenze.

Q30: Come dovrebbe essere considerata l’ESD in un sistema contenente DSP e PLD?

A30: Per quanto riguarda i sistemi ordinari, le parti che entrano in contatto diretto con l’uomo dovrebbero essere considerate per prime e dovrebbero essere predisposte adeguate protezioni sui circuiti e sulle strutture. L’entità dell’influenza che le ESD esercitano sul sistema è solitamente determinata in base alle diverse situazioni. In un ambiente secco, le ESD peggiorano, soprattutto sui sistemi più sensibili. Anche se i sistemi di dimensioni maggiori presentano effetti meno evidenti dovuti alle ESD, è comunque necessario prestare maggiore attenzione.

Q31: Per quanto riguarda la progettazione di un PCB a 4 strati, quale lato dovrebbe ricevere il rivestimento in rame su entrambi i lati?

A31: I seguenti aspetti devono essere presi in considerazione per il rivestimento in rame: schermatura, dissipazione termica, rinforzo e requisiti di produzione del PCB. Pertanto, occorre considerare quale sia il motivo principale. Ad esempio, in termini di progettazione di PCB ad alta velocità, la schermatura dovrebbe essere l’aspetto più considerato. La messa a terra della superficie è vantaggiosa per l’EMC e il rivestimento in rame dovrebbe essere eseguito completamente per evitare isole isolate. In generale, se i componenti sulla superficie richiedono troppo instradamento, sarà difficile mantenere il foglio di rame integro. Pertanto, si consiglia di non applicare il rivestimento in rame alle schede con molti componenti in superficie o con un instradamento molto fitto.

Q32: Nel processo di instradamento del clock, è necessario aggiungere una schermatura di massa su entrambi i lati?

A32: Dipende dal crosstalk o dall’EMI della scheda. Se le linee di massa di schermatura non sono gestite correttamente, al contrario produrranno effetti negativi.

Q33: Qual è la strategia di instradamento del clock per segnali a frequenze diverse?

A33: In termini di instradamento delle linee di clock, si dovrebbe innanzitutto eseguire un’analisi dell’integrità del segnale e definire i principi di instradamento. Successivamente, si procede con l’implementazione dell’instradamento sulla base di tali principi.

Risorse utili
•Come progettare PCB di alta qualità
•Le principali regole di progettazione PCB che devi conoscere
•Problemi di progettazione PCB comunemente riscontrati
•Possibili problemi e soluzioni nel processo di progettazione PCB
•Elementi di progettazione PCB che influenzano la produzione SMT