Definition
High-speed design henviser til systemer, der opererer ved høje frekvenser eller datahastigheder. Grundlæggende set er det kredsløb, der bruger højhastigheds digitale signaler til at overføre data mellem komponenter.
Hvad angår PCB-design og layout, fokuserer man inden for high-speed på at skabe kredsløbsdesign, med høj signalintegritet for at undgå problemer med EMI/EMC.
Grundlæggende involverer det teknikker til:
- at sikre pålidelig og effektiv signaloverførsel,
- minimere signalforringelse,
- og opretholde signalintegritet.
Grænsen mellem et high-speed design og et basalt PCB med langsommere digitale protokoller kan være lidt uklar. De primære kriterier der bruges til at klassificere et system som ‘high-speed’, er edge rate og rise time af de digitale signaler, der bliver anvendt i systemet.
Moderne digitale designs inkorporerer ofte både high-speed (hurtige “edge rate”) og low-speed (langsom “edge rate”) digitale protokoller. I den nuværende æra af embeddede systemer og IoT har high speed kredsløbskort ofte en RF-front-end til trådløs kommunikation og netværk.
Selvom alle designs har deres udgangspunkt i et schematic, fokuserer en betydelig del af high-speed
PCB-design på konnektor-design, PCB-stackup og routing.
Proces for High-Speed design
Når du designer et high-speed PCB, spiller den valgte PCB-stackup en vigtig rolle i bestemmelsen af impedans og letheden for faciliteringen af routing.
Alle high-speed stackups skal indeholde specifikke lag, der er dedikeret til højhastigheds signaler, strøm- og jordplaner.
Derfor bør du overveje disse forskellige faktorer, når du planlægger lagene i dit stackup.
- Valg af lag:
Bestem antallet og typer af lag, der er nødvendige for dit high-speed design. Som sagt består high-speed PCB’er ofte af flere signal-lag, forsynings- og jordplaner.
- Rækkefølge af lag:
Rækkefølgen af signal-, strøm- og jordplaner i dit stackup er afgørende. Ved at placere signal-lag mellem forsynings- og jordplaner forbedres signalintegriteten ved at minimere crosstalk og reducere EMI.
Dog kan rækkefølgen af de specifikke lag variere alt efter, hvilke krav og begrænsninger designet har.
- Strøm- og jordplaner:
Tilstrækkelig fordeling af forsynings- og jordplaner er essentiel for en effektiv støjreduktion og sikring af en stabil fordeling af strøm. Jordplaner fungerer som reference for signalet og bærer dets returstrømme, hvilket reducerer støj og forhindrer interferens mellem nabobaner.
Strømplaner giver en lav impedansvej og minimerer dermed spændingsfaldet i strømforsyningen.
Det er en fordel med en afbalanceret fordeling af strøm- og jordplaner i hele dit stackup.
- Kontrol af impedans:
Impedans-matchning er afgørende for high-speed design for at opretholde signalintegritet og minimere signalrefleksioner. Kontrolleret impedans sikrer, at signaler udbredes korrekt langs transmissionslinjer og reducerer risikoen for forringelse af signalet.
Valget af dielektrisk materiale, sporbredder, afstande og lagenes tykkelse påvirker impedansværdierne. For at opnå de ønskede niveauer af impedans anbefaler det at konsultere PCB producentens retningslinjer og dit foretrukne simuleringsværktøj.
De kan hjælpe dig med at fastlægge passende sporbredder og stackup-konfigurationer.
- Overvejelser vedrørende signalintegritet:
High-speed signaler er følsomme over for signalforringelse på grund af faktorer som støj, crosstalk og impedans-ubalance. Her kan omhyggelig placering af lag, og generel planlægning af dit stackup, hjælpe med at minimere disse problemer.
Signal-lag bør placeres mellem strøm- og jordplaner for at give et solidt referenceplan for signalets returveje og minimere EMI (Electromagnetic Interference).
- Returveje: Når det drejer sig om high-speed PCB design, er returveje en af de vigtigste faktorer at overveje. En returvej er den vej, som signaler følger for at fuldføre deres kredsløbs-loop fra signalets bane og tilbage til kilden.
En ofte overset udfordring ved high-speed routing er, at returstrømmen skal følge signalet tæt.
Når et signal routes gennem en via til et andet lag, er det afgørende også at forbinde de referencelagene med vias. Bliver returvejen brudt, kan det føre til impedans-mismatch og potentielle problemer med signalintegriteten.
- Signal escape routing:
Escape routing involverer at guide signaler fra høj-densitets footprint til et sted på PCB’et, hvor de kan routes effektivt som korrekte transmissionslinjer.
F.eks. bruges det til at route signaler væk fra “fine-pitched” komponent-footprints såsom BGA (Ball-Grid Array) komponenter.
Det er næsten umuligt at skabe korrekte transmissionslinjer tæt på et footprint, så fokus bør være på at gøre dem så gode som muligt, indtil der er tilstrækkeligt med plads til at rumme korrekte transmissionslinjer.
Derfor er det vigtigt med grundig planlægning for korrekt via-placering, samt routing-strategier for at sikre den mest effektive signal-routing og for at undgå potentielle problemer med signalintegritet tæt på komponenterne.
- Termiske overvejelser:
Det er velkendt fænomen, at high-speed designs kan generere betydelig med varme. Derfor er tilstrækkelig termisk styring afgørende i planlægningsprocessen for dit stackup.
For at forbedre varmespredning er det oplagt at inkludere termiske vias. Derved undgår man også overophedning af de kritiske komponenter på kredsløbskortet.
Opsummering
Husk at konsultere designretningslinjer samt dit foretrukne simuleringsværktøj. Derudover er det vigtigt, at du overvejer optimale designbegrænsninger for at sikre den bedste ydeevne.
En god forståelse og grundig håndtering af returveje er afgørende for at forhindre impedans-mismatch og potentielle problemer med signalintegriteten for dit PCB.
Endelig kan det være en god idé at samarbejde med dine tilgængelige PCB-produktionseksperter, som kan give dig værdifulde indsigter vedrørende overvejelser i forhold til dit stackup og kontrol af impedans for high-speed design.
