ความเข้าใจผิดและกลยุทธ์ในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง

สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงแล้ว ความสำเร็จของการออกแบบแผงวงจรพิมพ์มีผลโดยตรงต่อการแก้ปัญหาระดับสูงในระบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ทั้งในทางทฤษฎีและปฏิบัติ เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน EMCการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงกำลังเผชิญกับความท้าทายอย่างมาก ดังนั้นนักออกแบบ PCB ความเร็วสูงจึงต้องละทิ้งปรัชญาและวิธีการออกแบบแบบดั้งเดิมในกระบวนการออกแบบของตน บทความนี้วิเคราะห์ความเข้าใจผิดและกลยุทธ์ในกระบวนการออกแบบ PCB ความเร็วสูงจากมุมมองของการปฏิบัติเป็นหลัก

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง

จนถึงปัจจุบัน เทคนิคการออกแบบหลักในด้านการออกแบบ PCB ความเร็วสูงมีอยู่สามประเภท ได้แก่ เทคนิคการออกแบบลายวงจร PCB เพื่อควบคุมสัญญาณรบกวนและความล่าช้า เทคนิคการควบคุมอิมพีแดนซ์และเวลาหน่วงการแพร่กระจายสัญญาณ และเทคนิคการประเมินโดยใช้อิมพีแดนซ์ของ PCB เป็นพารามิเตอร์ ซึ่งสองเทคนิคหลังนี้เป็นหัวใจของการผลิตแผงวงจรพิมพ์. นอกจากนี้ยังมีเทคนิคมากมายเกี่ยวกับการส่งสัญญาณบนแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง และโครงสร้างพื้นฐานที่ใช้กันทั่วไปคือไมโครสตริปและสตริปไลน์ สำหรับสายส่งบนแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง Z₀นั่นคือพารามิเตอร์อิมพีแดนซ์และ t_pdดังนั้น เวลาหน่วงการแพร่กระจายจึงเป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุด จริง ๆ แล้ว หากโครงสร้างของไมโครสตริปแตกต่างจากสตริปไลน์ สูตรคำนวณก็จะแตกต่างกันไปด้วย อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าในกรณีใด อิมพีแดนซ์ก็ยังคงเป็นฟังก์ชันของโครงสร้างเรขาคณิตของสายส่งอยู่ดี ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุบางส่วนในแผ่น PCB จะได้รับอิทธิพลจากความถี่ อัตราการดูดซึมน้ำของพื้นที่ อุณหภูมิ และคุณลักษณะทางไฟฟ้า สำหรับแผ่น PCB แบบสองชั้นหรือหลายชั้น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของมันจะได้รับอิทธิพลจากสัดส่วนของเรซินและซิลิกอนในวัสดุ PCB

ทุกวันนี้ สิ่งที่ถูกใช้กันมากที่สุดวัสดุแผงวงจรพิมพ์คือ FR4 โดยปกติแล้ว ซัพพลายเออร์วัสดุ PCB จะระบุค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ซึ่งช่างเทคนิคของโครงการจะใช้เป็นเกณฑ์ในการเลือกใช้วัสดุ ในการใช้งานจริง ค่าพารามิเตอร์มักจะได้มาภายใต้เงื่อนไขที่ความถี่ 1MHz ในขณะที่ในสภาวะความเร็วสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจนดังที่แสดงในรูปที่ 1

เส้นโค้งทั้งสามในรูปที่ 1 หมายถึงสัดส่วนที่แตกต่างกันของซิลิกอนและเรซิน ในบรรดาเส้นโค้งทั้งสาม เส้นโค้ง A มีค่าสูงที่สุด B อยู่ในระดับปานกลาง และ C ต่ำที่สุด หากผู้ปฏิบัติงานไม่สังเกตเห็นความแตกต่างนี้ อาจเกิดความคลาดเคลื่อนอย่างมากระหว่างค่าที่คำนวณหรือผลการจำลองกับสภาพการใช้งานจริงในด้านอิมพีแดนซ์และเวลาหน่วงการแพร่กระจาย ซึ่งจะส่งผลต่อการออกแบบความสมบูรณ์ของสัญญาณในระบบความเร็วสูง

ปัญหามุม 90°

ในเอกสารส่วนใหญ่แนะนำให้หลีกเลี่ยงมุม 90° ในการเดินลาย PCB เนื่องจากอาจทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าการแผ่รังสี (EMI) จากมุมมองทางทฤษฎี การเปลี่ยนแปลงความกว้างที่มุม 90° มีขนาดค่อนข้างมาก ซึ่งส่งผลให้มีอิมพีแดนซ์สูงและเกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์อย่างรุนแรง จากมุมมองทางปฏิบัติ กำลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ามักจะรวมตัวกันที่มุมของลายวงจร และยิ่งมุมนั้นแหลมมากเท่าใด กำลังงานที่รวมตัวกันก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จากการวิเคราะห์ข้างต้น การแผ่รังสี EMI จะเด่นชัดที่สุดที่มุม 90°

แต่มีนักวิจัยบางคนพบว่าอิทธิพลของมุม 90° ที่มีต่ออิมพีแดนซ์นั้นอยู่ภายใน 10% สำหรับความกว้างของลายวงจร 6 mil หากกลายเป็นความยาวที่มีนัยสำคัญ ก็จะอยู่ในช่วงความถี่ระดับ THz ดังนั้นจึงสามารถประเมินได้ว่ามุม 90° จะทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์อย่างแน่นอนในสถานการณ์การใช้งานจริง

ดังนั้น ในทางปฏิบัติการเดินลายวงจร PCBอย่างน้อยภายในช่วงความถี่ระดับกิกะเฮิรตซ์ ก็ไม่จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงมุม 90° โดยต้องแลกมาด้วยต้นทุน

หลักการ 20-H

นับตั้งแต่หลักการ 20-H ของ KNG ปรากฏขึ้น ก็ได้รับการยอมรับให้เป็นหลักการสำคัญสำหรับการออกแบบ PCB ความเร็วสูง แม้แต่นักวิจัยบางคนยังระบุว่าหลักการนี้สามารถช่วยให้ความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยรอบบนเลเยอร์ PCB ที่เกี่ยวข้องลดลงได้ประมาณ 70% นอกจากนี้ยังมีบทบาทอย่างมีประสิทธิภาพในการลดการแผ่รังสี EMI ออกสู่ภายนอก อย่างไรก็ตาม การทดลองจำนวนมากไม่สนับสนุนความคาดหวังของนักวิจัย

การทดลองบางอย่างแสดงให้เห็นว่า สำหรับแผ่นวงจรพิมพ์สองชั้น หลักการ 20-H ทำให้เกิดการแผ่รังสีที่รุนแรงมากขึ้น ในขณะที่สำหรับแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น การใช้หลักการ 20-H ในชั้นกลางด้านในไม่ได้ทำให้เกิดการปรับปรุงที่ชัดเจน

พารามิเตอร์ความจุการกรอง

ค่าความจุกรองเป็นวิธีการที่ได้รับการทดสอบแล้วว่ามีประสิทธิภาพและประหยัด ซึ่งใช้ในการแก้ปัญหา EMC ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม ระบบอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงได้นำมาซึ่งข้อกำหนดใหม่ต่อสมรรถนะและการออกแบบที่เหมาะสมของค่าความจุกรอง โมดูลแบบง่ายของค่าความจุกรองแสดงไว้ในรูปที่ 2

จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้: Z_C< Z_S// Z_แ(แ_ค=1/2πfC). ความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนที่พบบ่อยคือ ตราบใดที่ Z_Cน้อยกว่า Z_แสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ของการกรองด้วยค่าความจุไฟฟ้าได้จริง ๆ แล้ว พารามิเตอร์ของค่าความจุไฟฟ้าสำหรับการกรองไม่สามารถกำหนดได้ เว้นแต่ว่าค่าของ Z จะถูกกำหนด_Sและ Z_Lถูกตัดสินแล้ว

อย่างไรก็ตาม ในวงจรความเร็วสูง ทั้ง Z ก็ไม่_Sนอร์ Z_Lเป็นความต้านทานล้วน ๆ ที่ต้องการค่าที่ซับซ้อน ในขณะเดียวกัน Z_Cในวงจรความเร็วสูงจะไม่มีค่าความจุไฟฟ้าบริสุทธิ์ และต้องคำนึงถึงทั้งค่าความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าและค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่า ปัจจัยเหล่านี้ล้วนเป็นความยากลำบากในการประยุกต์ใช้ตัวเก็บประจุกรองในระบบอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง เมื่อผู้ออกแบบมองข้ามประเด็นเหล่านี้ ความแตกต่างที่ชัดเจนจะเกิดขึ้นระหว่างผลการคำนวณหรือการจำลองกับการใช้งานจริง

การบรรจุภัณฑ์ซิลิกอน

นักออกแบบ PCB มักให้ความสนใจเป็นพิเศษกับเลย์เอาต์ของ PCB และการเชื่อมต่อระหว่างองค์ประกอบต่าง ๆ บน PCB และมองข้ามความสำคัญของบรรจุภัณฑ์ชิ้นส่วนที่จริงแล้ว สิ่งนี้อาจก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่ร้ายแรงต่อการออกแบบ PCB ความเร็วสูง การบรรจุแพ็กเกจของซิลิคอนมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของซิลิคอนผ่านค่าพาราซิติกของความเหนี่ยวนำ ความต้านทาน และความจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนเส้นเชื่อมต่อและขาแพ็กเกจ พารามิเตอร์เหล่านี้จะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวน (noise) ความหน่วงของการสื่อสาร อัตราการเปลี่ยนแปลงขอบสัญญาณ (edge rate) และการตอบสนองความถี่ พารามิเตอร์พาราซิติกของแพ็กเกจที่ต่างกันอาจแตกต่างกันมาก สำหรับซิลิคอนที่มีวงจรเหมือนกันแต่ใช้แพ็กเกจต่างกัน ประสิทธิภาพของมันจะแสดงลักษณะที่แตกต่างกันออกไป

ในความเป็นจริง สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง การออกแบบซิลิคอน การออกแบบแพ็กเกจจิ้ง และการออกแบบในระดับบอร์ดนั้นไม่เคยเป็นอิสระจากกัน สำหรับกระบวนการออกแบบบนซิลิคอน จำเป็นต้องเลือกแพ็กเกจที่เหมาะสมให้สอดคล้องกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) การจัดวางโดยรวมของการออกแบบซิลิคอนนั้นได้รับอิทธิพลทั้งจากเทคนิคและองค์ประกอบในระดับบอร์ด สำหรับแพ็กเกจจิ้งของซิลิคอน การจับคู่ให้เหมาะสมกับ PCB เป็นปัจจัยที่ต้องคำนึงถึง ยิ่งไปกว่านั้น การเลือกแพ็กเกจที่เหมาะสมจะช่วยได้อย่างมากในด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณในระดับบอร์ดและปัญหา EMC/EMI ดังนั้น แพ็กเกจจิ้งของซิลิคอนจึงไม่ควรถูกมองข้ามหรือประเมินค่าต่ำไป

การรบกวนจากการแผ่รังสีของกระแสโหมดร่วม

ในสายส่งสัญญาณของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) จะมีกระแสแบบโหมดดิฟเฟอเรนเชียลที่ใช้ส่งสัญญาณที่เป็นประโยชน์ และกระแสแบบโหมดร่วมที่ไม่มีข้อมูลที่เป็นประโยชน์ ซึ่งทั้งสองแบบล้วนก่อให้เกิดการแผ่รังสี EMI

เนื่องจากกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลมีค่าค่อนข้างสูง กระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลจึงได้รับความสำคัญจากผู้ออกแบบวงจร พร้อมกับการพัฒนาทฤษฎีและเทคนิคในการควบคุมการแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ส่งผลให้เครื่องมือ EDA บางตัวมีฟังก์ชันการจำลองและการพยากรณ์การแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียล อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลแล้ว กระแสโหมดคอมมอนมีค่าน้อยกว่ามาก จึงทำให้นักออกแบบมักมองข้ามการแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดคอมมอนได้ง่าย

อย่างไรก็ตาม จากงานวิจัยล่าสุด แม้ว่ากระแสโหมดร่วมจะมีค่าต่ำกว่ากระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลมาก แต่การแผ่รังสีรบกวน EMI ที่เกิดจากกระแสโหมดร่วมกลับมีขนาดใหญ่กว่าที่เกิดจากกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลมาก ปัจจุบัน การแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดร่วมได้กลายเป็นหนึ่งในแหล่งรบกวนหลักของการแผ่รังสีบนแผงวงจรความเร็วสูงขั้นสูง ยิ่งไปกว่านั้น สาเหตุของการเกิดการแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดร่วมมีความซับซ้อน และยังไม่สามารถทำการจำลองหรือคาดการณ์ได้ นอกจากนี้ งานวิจัยเกี่ยวกับการควบคุมการแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดร่วมยังคงอยู่ในระหว่างดำเนินการ

ดังนั้น เมื่อออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง การจำลองและคาดการณ์การแผ่รังสี EMI โดยอิงเฉพาะการแผ่รังสี EMI ของกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลเพียงอย่างเดียวนั้นไม่น่าเชื่อถือ

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•เคล็ดลับการออกแบบความเร็วสูง
•เทคนิคการเดินลาย PCB ความเร็วสูงเพื่อลดอิทธิพลของ EMI
•การวิจัยการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงในระบบประยุกต์แบบฝังตัว
•การประมวลผลไอโซเมตริกแบบเชิงอนุพันธ์และการตรวจสอบด้วยการจำลองสำหรับการออกแบบ PCB ความเร็วสูง
•วิธีออกแบบระนาบสัญญาณภาพสำหรับแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง
•ความท้าทายด้านความถูกต้องของสัญญาณในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงและแนวทางแก้ไข
•วิธีการลดการสะท้อนสัญญาณในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ความเร็วสูง
•การวิเคราะห์ความสมบูรณ์ของสัญญาณและการออกแบบ PCB บนวงจรผสมดิจิทัล-อนาล็อกความเร็วสูง
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบวงจรจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมที่เพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น