Sejauh sistem elektronik berkelajuan tinggi berkenaan, kejayaan reka bentuk papan litar bercetak secara langsung membawa kepada penyelesaian masalah yang tinggi dalam sistem Keserasian Elektromagnet (EMC) dari segi teori dan amalan. Untuk mencapai piawaian EMC,reka bentuk PCB berkelajuan tinggisedang menghadapi cabaran besar jadi pereka PCB berkelajuan tinggi mesti meninggalkan falsafah dan pendekatan reka bentuk tradisional dalam proses reka bentuk mereka. Petikan ini terutamanya menganalisis salah faham dan strategi dalam proses reka bentuk PCB berkelajuan tinggi dari perspektif amalan.
Pemalar Dielektrik Bahan PCB Kelajuan Tinggi
Sehingga kini, terdapat terutamanya tiga teknik reka bentuk dari segi reka bentuk PCB berkelajuan tinggi: teknik reka bentuk graf PCB hingar dan tertunda, teknik kawalan impedans dan masa kelewatan perambatan serta teknik penilaian dengan impedans PCB sebagai parameter, di mana dua jenis teknik yang terakhir merupakan teras bagiPembuatan PCB. Terdapat juga banyak teknik mengenai penghantaran fabrikasi PCB berkelajuan tinggi dan struktur asas yang biasa digunakan ialah mikrostrip dan stripline. Bagi talian penghantaran PCB berkelajuan tinggi, Z0itu adalah parameter impedans dan tpdiaitu masa lengah perambatan ialah pemboleh ubah yang paling penting. Sebenarnya, jika struktur mikrostrip berbeza daripada talian jalur, formula pengiraannya juga akan berbeza. Namun begitu, dalam apa jua keadaan, impedans sentiasa merupakan struktur geometri talian penghantaran. Dalam kebanyakan situasi, pemalar dielektrik bagi sebahagian bahan PCB dipengaruhi oleh frekuensi, kadar penyerapan air kawasan, suhu dan ciri-ciri elektrik. Untuk PCB dua lapis atau berbilang lapis, pemalar dielektriknya dipengaruhi oleh nisbah resin dan silikon dalam bahan PCB.
Pada masa kini, yang paling kerap digunakanBahan PCBialah FR4. Biasanya, pembekal bahan PCB menunjukkan nilai pemalar dielektrik yang akan digunakan oleh juruteknik projek untuk memilih bahan tersebut. Dalam aplikasi praktikal, nilai parameter biasanya diperoleh pada keadaan 1MHz, manakala dalam keadaan berkelajuan tinggi, pemalar dielektrik mengalami perubahan yang ketara seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Tiga lengkung dalam Rajah 1 merujuk kepada nisbah berbeza silikon dan resin. Antara tiga lengkung tersebut, lengkung A adalah yang tertinggi, B sederhana dan C yang terendah. Sekiranya operator gagal menyedari perbezaannya, sisihan besar mungkin berlaku antara pengiraan atau keputusan simulasi dan keadaan sebenar bagi impedans dan masa lengahan perambatan, yang akan memberi kesan kepada reka bentuk keutuhan isyarat sistem berkelajuan tinggi.
Masalah Sudut 90°
Sudut 90° harus dielakkan dalam pendawaian PCB dalam kebanyakan dokumen kerana ia berkemungkinan menyebabkan ketakselanjaran impedans danGangguan Elektro-Magnetik(EMI) radiasi. Dari perspektif teori, perubahan lebar pada sudut 90° adalah agak besar, yang mengakibatkan impedans yang tinggi dan ketakselanjaran impedans yang serius. Dari perspektif amali, kuasa elektromagnet cenderung berkumpul di sudut penghalaan dan semakin tajam sudut itu, semakin banyak kuasa yang berkumpul. Berdasarkan analisis di atas, radiasi EMI menjadi paling ketara pada sudut 90°.
Tetapi sesetengah penyelidik mendapati bahawa pengaruh sudut 90° terhadap impedans adalah dalam lingkungan 10%. Untuk lebar penghalaan 6 mil, jika ia menjadi panjang utama, maka ia akan berada dalam julat THz. Oleh itu, boleh dianggarkan bahawa sudut 90° pasti akan menyebabkan ketakselanjaran impedans dalam situasi praktikal.
Oleh itu, dalam amaliPendawaian PCBsekurang-kurangnya dalam julat GHz, adalah tidak perlu untuk mengelakkan sudut 90° dengan mengorbankan kos.
Prinsip 20-H
Sejak kemunculan prinsip 20-H oleh KNG, ia telah diterima sebagai prinsip utama untuk reka bentuk PCB berkelajuan tinggi. Malah sesetengah penyelidik menunjukkan bahawa prinsip ini berupaya membantu mengurangkan ketumpatan elektromagnet ambien pada lapisan PCB yang berkaitan kira-kira sebanyak 70%. Selain itu, ia juga memainkan peranan yang berkesan dalam mengurangkan pancaran EMI ke luar. Namun begitu, banyak eksperimen tidak menyokong jangkaan para penyelidik.
Beberapa eksperimen menunjukkan bahawa bagi PCB dua lapisan, prinsip 20-H menyebabkan radiasi yang lebih serius manakala bagi PCB berbilang lapisan, penggunaan prinsip 20-H pada lapisan medium dalaman tidak membawa peningkatan yang ketara.
Parameter Penurasan Kapasitans
Kapasitans penapisan ialah satu ukuran yang terbukti berkesan dan ekonomik yang digunakan untuk menyelesaikan masalah EMC dalam sistem elektronik. Namun begitu, sistem elektronik berkelajuan tinggi membawa keperluan baharu terhadap prestasi dan reka bentuk boleh guna kapasitans penapisan. Modul ringkas kapasitans penapisan ditunjukkan seperti dalam Rajah 2.
Ia mesti memenuhi keperluan berikut: ZC< ZS// ZL(ZC=1/2πfC). Satu salah faham yang biasa menunjukkan bahawa selagi ZCkurang daripada ZL, tujuan penapisan kapasitans boleh dicapai. Sebenarnya, parameter kapasitans penapisan tidak dapat ditentukan melainkan nilai ZSdan ZLtelah diputuskan.
Walau bagaimanapun, dalam litar berkelajuan tinggi, kedua-dua Z tidakSmaupun ZLadalah rintangan tulen, memerlukan nilai kompleks. Sementara itu, ZCbukan kapasitans tulen dalam litar berkelajuan tinggi dan kedua-dua rintangan siri setara serta induktans siri setara mesti diambil kira. Semua ini merupakan kesukaran dalam aplikasi kapasitans penapisan dalam sistem elektronik berkelajuan tinggi. Sebaik sahaja pereka bentuk mengabaikan aspek-aspek ini, perbezaan yang ketara akan berlaku antara pengiraan atau keputusan simulasi dan amalan sebenar.
Pembungkusan Silikon
Pereka PCB cenderung memberi tumpuan paling banyak pada susun atur PCB dan sambungan antara komponen pada PCB serta mengabaikan kepentinganpembungkusan komponenMalah, ini berkemungkinan menghasilkan kesan serius terhadap reka bentuk PCB berkelajuan tinggi. Pembungkusan silikon mempengaruhi prestasi silikon melalui induktans parasit, rintangan parasit dan kapasitans parasit yang melalui talian sambungan dan kaki pin. Parameter-parameter ini akan menghasilkan hingar, kelewatan komunikasi, kadar tepi dan tindak balas frekuensi. Parameter parasit bagi pembungkusan yang berbeza mungkin sangat berbeza. Bagi silikon dengan litar yang sama tetapi pembungkusan berbeza, prestasi mereka menunjukkan ciri-ciri yang berbeza.
Sebenarnya, bagi sistem elektronik berkelajuan tinggi, reka bentuk silikon, reka bentuk pembungkusan dan reka bentuk pada peringkat papan tidak pernah saling bebas antara satu sama lain. Untuk aliran reka bentuk pada silikon, satu pakej yang sesuai mesti dipilih selaras dengan PCB. Susun atur keseluruhan reka bentuk silikon dipengaruhi oleh kedua-dua teknik dan elemen pada peringkat papan. Bagi pembungkusan silikon, padanannya dengan PCB ialah satu elemen yang mesti dipertimbangkan. Lebih penting lagi, pakej yang sesuai sangat membantu dari segi keutuhan pada peringkat papan dan masalah EMC/EMI. Oleh itu, pembungkusan silikon tidak seharusnya diabaikan atau dipandang rendah.
Gangguan Sinaran Arus Mod Sejagat
Dalam wayar penghantaran isyarat PCB, terdapat arus mod beza yang menghantar isyarat berguna dan arus mod biasa tanpa maklumat berguna, kedua-duanya menjana pancaran EMI.
Disebabkan oleh arusnya yang agak tinggi, arus mod pembeza telah diberi penekanan oleh pereka litar dengan pembentukan teori dan teknik untuk mengawal sinaran EMI arus mod pembeza. Hasilnya, sesetengah alat EDA mempunyai fungsi simulasi dan ramalan sinaran EMI arus mod pembeza. Namun begitu, berbanding dengan arus mod pembeza, arus mod umum adalah jauh lebih kecil, yang mudah menyebabkan pengabaian oleh pereka terhadap sinaran EMI arus mod umum.
Walau bagaimanapun, menurut penyelidikan terkini, walaupun arus mod sepunya jauh lebih kecil daripada arus mod beza, gangguan sinaran EMI yang dijana oleh yang pertama adalah jauh lebih besar daripada yang dijana oleh yang kedua. Sehingga kini, sinaran EMI arus mod sepunya telah menjadi salah satu sumber utama gangguan sinaran pada papan litar termaju berkelajuan tinggi. Lebih buruk lagi, penjanaan sinaran EMI arus mod sepunya mempunyai punca yang rumit dan sama ada simulasi mahupun ramalan tidak dapat dicapai. Selain itu, penyelidikan tentang kawalan sinaran EMI arus mod sepunya masih sedang dijalankan.
Oleh itu, apabila mereka bentuk PCB berkelajuan tinggi, adalah tidak boleh dipercayai untuk mensimulasikan dan meramalkan pancaran EMI hanya berdasarkan pancaran EMI arus mod pembezaan.
