Per quanto riguarda i sistemi elettronici ad alta velocità, il successo della progettazione dei circuiti stampati porta direttamente a un’elevata capacità di risoluzione dei problemi nel sistema di Compatibilità Elettromagnetica (EMC) sia in teoria che in pratica. Al fine di raggiungere lo standard EMC,progettazione PCB ad alta velocitàsta affrontando grandi sfide, quindi i progettisti di PCB ad alta velocità devono abbandonare la tradizionale filosofia e i metodi di progettazione nel loro processo di progettazione. Questo testo analizza principalmente i malintesi e le strategie nel processo di progettazione di PCB ad alta velocità dal punto di vista della pratica.
Costante dielettrica del materiale PCB ad alta velocità
Finora, esistono principalmente tre tecniche di progettazione per quanto riguarda il design di PCB ad alta velocità: la tecnica di progettazione del layout PCB per il rumore e il ritardo, la tecnica di controllo dell’impedenza e del tempo di ritardo di propagazione e la tecnica di valutazione con l’impedenza del PCB come parametro, tra le quali le ultime due tipologie di tecniche costituiscono il cuore diFabbricazione di PCB. Esistono anche molte tecniche sulle trasmissioni ad alta velocità nella fabbricazione di PCB e le strutture di base comunemente utilizzate sono la microstriscia e la stripline. Per quanto riguarda le linee di trasmissione PCB ad alta velocità, Z0che è il parametro di impedenza e tpdcioè il tempo di ritardo di propagazione è la variabile più importante. In realtà, se la struttura della microstrip è diversa da quella della stripline, anche la formula di calcolo sarà diversa. Tuttavia, in ogni caso, l’impedenza è sempre legata alla struttura geometrica della linea di trasmissione. Nella maggior parte delle situazioni, la costante dielettrica di una parte del materiale del PCB è influenzata dalla frequenza, dal tasso di assorbimento d’acqua dell’area, dalla temperatura e dalle caratteristiche elettriche. Per i PCB a due strati o multistrato, la loro costante dielettrica è influenzata dalla proporzione di resina e silicio nel materiale del PCB.
Al giorno d'oggi, il più comunemente usatoMateriale PCBè FR4. Di solito, i fornitori di materiali per PCB indicano i valori della costante dielettrica in base ai quali i tecnici di progetto utilizzeranno il materiale. Nelle applicazioni pratiche, i valori dei parametri vengono solitamente ottenuti alla frequenza di 1 MHz, mentre in condizioni ad alta velocità la costante dielettrica subisce variazioni evidenti, come mostrato in Figura 1.
Le tre curve nella Figura 1 si riferiscono alle diverse proporzioni di silicio e resina. Tra le tre curve, la curva A è la più alta, la B è intermedia e la C è la più bassa. Se gli operatori non riescono a notare la differenza, possono verificarsi grandi deviazioni tra i calcoli o i risultati di simulazione e le situazioni pratiche in termini di impedenza e tempo di ritardo di propagazione, il che influirà sulla progettazione dell’integrità del segnale nei sistemi ad alta velocità.
Problema dell’angolo a 90°
Nella maggior parte dei documenti si raccomanda di evitare angoli a 90° nel routing dei PCB, poiché potrebbero causare discontinuità di impedenza eInterferenza elettromagneticaradiazioni (EMI). Dal punto di vista teorico, la variazione di larghezza dell’angolo di 90° è relativamente grande, il che comporta un’elevata impedenza e una grave discontinuità di impedenza. Dal punto di vista pratico, la potenza elettromagnetica tende a concentrarsi nell’angolo del tracciato e quanto più acuto è l’angolo, tanto maggiore è la potenza concentrata. Sulla base dell’analisi di cui sopra, la radiazione EMI diventa più evidente all’angolo di 90°.
Ma alcuni ricercatori hanno riscontrato che l’influenza dell’angolo a 90° sull’impedenza è entro il 10%. Per una larghezza di instradamento di 6 mil, se diventa una lunghezza chiave, allora sarà nell’ordine dei THz. Pertanto, si può stimare che l’angolo a 90° porterà sicuramente a una discontinuità di impedenza nelle situazioni pratiche.
Pertanto, nella praticaInstradamento PCBalmeno nell'intervallo dei GHz, non è necessario evitare gli angoli di 90° a tutti i costi.
Principi delle 20 H
Dalla comparsa dei principi 20-H proposti da KNG, essi sono stati accettati come il principio principale per la progettazione di PCB ad alta velocità. Alcuni ricercatori indicano persino che questo principio è in grado di contribuire a ridurre la densità elettromagnetica ambientale sugli strati interessati del PCB di circa il 70%. Inoltre, svolge anche un ruolo efficace nel ridurre l’emissione EMI verso l’esterno. Tuttavia, molti esperimenti non supportano le aspettative dei ricercatori.
Alcuni esperimenti indicano che, per i PCB a due strati, il principio 20-H porta a una radiazione più grave, mentre per i PCB multistrato l’utilizzo del principio 20-H nello strato intermedio dielettrico non comporta un miglioramento evidente.
Parametri di capacità di filtraggio
La capacità di filtraggio è una misura comprovata, efficace ed economica utilizzata per risolvere i problemi EMC nei sistemi elettronici. Tuttavia, i sistemi elettronici ad alta velocità introducono nuovi requisiti per le prestazioni e la progettazione applicabile della capacità di filtraggio. Il modello semplificato della capacità di filtraggio è mostrato in Figura 2.
Deve soddisfare il seguente requisito: ZC< ZS// ZL(ZC=1/2πfC). Un malinteso comune indica che finché ZCè minore di ZL, si può ottenere lo scopo della capacità di filtraggio. In effetti, i parametri della capacità di filtraggio non possono essere determinati a meno che i valori di ZSe ZLsono decisi.
Tuttavia, nei circuiti ad alta velocità, né ZSné ZLè pura resistenza, bisognosa di valori complessi. Nel frattempo, ZCnei circuiti ad alta velocità non esiste una capacità puramente ideale e sia la resistenza serie equivalente sia l’induttanza serie equivalente devono essere prese in considerazione. Tutto ciò rappresenta una difficoltà nell’applicazione dei condensatori di filtraggio nei sistemi elettronici ad alta velocità. Una volta che i progettisti ignorano questi aspetti, si verificheranno evidenti differenze tra i calcoli o i risultati di simulazione e la pratica.
Confezionamento al silicio
I progettisti di PCB tendono a prestare la maggior parte dell’attenzione al layout del PCB e alle interconnessioni tra i componenti sui PCB, ignorando l’importanza diimballaggio dei componenti. In effetti, questo potrebbe produrre risultati seri nella progettazione di PCB ad alta velocità. L’incapsulamento del silicio influisce sulle prestazioni del silicio attraverso l’induttanza parassita, la resistenza parassita e la capacità parassita che si manifestano lungo le linee di collegamento e i terminali. Questi parametri genereranno rumore, ritardo di comunicazione, velocità di transizione e risposta in frequenza. I parametri parassiti dei diversi tipi di incapsulamento possono differire notevolmente. Per il silicio con lo stesso circuito ma con incapsulamenti diversi, le loro prestazioni mostrano caratteristiche differenti.
In effetti, per i sistemi elettronici ad alta velocità, la progettazione del silicio, la progettazione del package e la progettazione a livello di scheda non sono mai indipendenti l’una dall’altra. Per il flusso di progettazione sul silicio, è necessario scegliere un package adatto in accordo con il PCB. Il layout complessivo della progettazione del silicio è influenzato sia dalle tecniche sia dagli elementi a livello di scheda. Per quanto riguarda il packaging del silicio, la sua corrispondenza con il PCB è un elemento che deve essere preso in considerazione. Ancora più importante, un package adeguato è di grande aiuto per quanto riguarda l’integrità a livello di scheda e i problemi EMC/EMI. Pertanto, il packaging del silicio non dovrebbe mai essere ignorato o sottovalutato.
Interferenza di radiazione da corrente di modo comune
Nei conduttori di trasmissione del segnale del PCB esistono una corrente in modalità differenziale che trasmette segnali utili e una corrente in modalità comune priva di informazioni utili, entrambe in grado di generare radiazioni EMI.
A causa della sua corrente relativamente elevata, la corrente in modo differenziale è stata enfatizzata dai progettisti di circuiti con la formazione di teorie e tecniche per il controllo dell’emissione EMI dovuta alla corrente in modo differenziale. Di conseguenza, alcuni strumenti EDA dispongono di funzioni di simulazione e previsione dell’emissione EMI della corrente in modo differenziale. Tuttavia, rispetto alla corrente in modo differenziale, la corrente in modo comune è molto minore, il che porta facilmente i progettisti a trascurare l’emissione EMI dovuta alla corrente in modo comune.
Tuttavia, secondo ricerche recenti, sebbene la corrente in modo comune sia molto più piccola della corrente in modo differenziale, l’interferenza di radiazione EMI generata dalla prima è molto maggiore di quella generata dalla seconda. Fino ad ora, la radiazione EMI dovuta alla corrente in modo comune è diventata una delle principali fonti di interferenza di radiazione sulle schede a circuito avanzate ad alta velocità. Peggio ancora, la generazione della radiazione EMI di corrente in modo comune presenta cause complesse e non è possibile né simularla né prevederla. Inoltre, la ricerca sul controllo della radiazione EMI dovuta alla corrente in modo comune è ancora in corso.
Pertanto, quando si progetta un PCB ad alta velocità, non è affidabile simulare e prevedere l’emissione EMI basandosi solo sull’emissione EMI dovuta alla corrente in modalità differenziale.
