Obecnie większość urządzeń elektronicznych, czasami nawet tych prostych, wykorzystuje układy scalone zdolne do pracy z bardzo dużymi pObecnie większość urządzeń elektronicznych, czasem nawet prostych, wykorzystuje układy scalone zdolne do pracy z bardzo dużymi prędkościami. Urządzenia te do prawidłowego działania wymagają starannie zaprojektowanej, szybkiej płytki PCB.
Projektując tak szybkiej płytki PCB, należy precyzyjnie dobrać wiele czynników i parametrów, aby projekt zadziałał za pierwszym razem.
W tym artykule poprowadzimy Cię przez zaprojektowanie szybkiej płytki PCB i wszystko, co musisz wziąć pod uwagę w tym procesie.
1、Co to jest szybkiej płytki PCB Design
Ilekroć masz sygnały na PCB, które mają szybkie prędkości krawędzi, stają się one następnie zależne od czynników minutowych w układzie PCB. Sygnały te mogą stracić integralność i wpływają na nie parametry fizyczne, takie jak układ płyty, impedancja, obszar pętli, ogólny projekt i typ opakowania.
Dlatego proces projektowania PCB, który jest zoptymalizowany pod kątem zachowania integralności sygnałów dla tych szybko zmieniających się sygnałów, jest określany jako projekt PCB o dużej szybkości.
W projektach o dużej szybkości wykorzystuje się wysokiej jakości materiały PCB z ciasnym uzwojeniem włókien, ścisłymi tolerancjami i kontrolowaną impedancją.
Szybkie projekty starają się również używać małych pakietów komponentów, takich jak BGA, LGA, MSOP, itp. zamiast większych pakietów.
Zdjęcie 1: Mikrokontroler z wyprowadzeniami idącymi do zewnętrznego złącza
2、Wyzwania związane z projektowaniem płyt PCB o dużej szybkości
W poniższej części przedstawione zostaną główne wyzwania projektowe związane z projektowaniem szybkich płyt PCB
2.1 Tolerancje
Ponieważ nawet minimalna charakterystyka PCB może wpłynąć na zachowanie sygnału, producent musi mieć wąskie tolerancje.
Są to tolerancje typowe dla takich rzeczy, jak ścieżki o kontrolowanej impedancji, stackup płyty i pojemność, a także całkowita długość i szerokość znaczników.
2.2 Dostępność materiałów o wysokiej prędkości
Po przekroczeniu pewnych prędkości, jeśli sygnały są zbyt szybkie, może być wymagane użycie unikalnego materiału na płytę PCB.
Standardowe włókno szklane na bazie FR4 nie jest najlepsze, jeśli chodzi o projektowanie płyt o dużej szybkości. Kilka materiałów PCB używanych w projektach o dużej szybkości to wzmocniony FR-4, poliamid, PTFE.
2.3 Wybór właściwego układu warstw
Kolejnym krytycznym czynnikiem, szczególnie w płytach wielowarstwowych, jest wybór odpowiedniego układu warstw, gdzie należy umieścić grubą warstwę prepregów, gdzie należy umieścić płaszczyzny zasilania i uziemienia, a także separację pomiędzy arkuszami. Wszystkie te czynniki, jeśli zostaną dobrane prawidłowo, poprawią integralność sygnału.
2.4 Połączenia między płytami
Gdy w projekcie występuje wiele szybkich płyt, które muszą być połączone, konieczne jest użycie połączeń, które mogą prawidłowo przesyłać sygnały o dużej szybkości, zazwyczaj są to ekranowane kable o dopasowanej długości. Złącza powinny mieć piny zorientowane w taki sposób, aby zminimalizować straty sygnału.
Obraz 2: Układ QFN o doskonałym skoku wymaga wąskich tolerancji, jak pokazano na rysunku
3、 Umiejętności projektowania szybkich obwodów drukowanych
3.1 Znajomość oprogramowania do projektowania, które jest zdolne do korzystania z zaawansowanych opcji
Projekty o dużej szybkości wymagają wielu zaawansowanych funkcji w oprogramowaniu CAD. Wiele programów przeznaczonych dla hobbystów może ich nie posiadać. Programy oparte na sieci Web również zazwyczaj nie posiadają zaawansowanych opcji.
Trzeba więc nauczyć się i nabrać wprawy w posługiwaniu się zaawansowanym narzędziem CAD.
3.2 Routing High-Speed
Projektant musi znać zasady koniecznej rutyny, jeśli chodzi o szybkie trasy. Obejmowałoby to takie rzeczy, jak nie przecinanie płaszczyzn uziemienia i utrzymywanie krótkich ścieżek. Utrzymywanie linii cyfrowych nie za blisko siebie, aby uniknąć przesłuchów, oraz ekranowanie wszelkich elementów wytwarzających zakłócenia, aby nie naruszyć integralności sygnału.
3.3 Trasowanie ścieżek z kontrolowaną impedancją
Niektóre rodzaje sygnałów wymagają dopasowania impedancji. Są to zazwyczaj wartości rzędu 40-120 omów. Charakterystyczne wskazówki z dopasowaną impedancją to Anteny i wiele par różnicowych.
Projektant musi wiedzieć, jak obliczyć szerokość śladu i stos warstw dla wymaganych wartości impedancji. Jeśli ślad nie ma prawidłowej wartości impedancji, sygnał może być poważnie zdegradowany, co może spowodować uszkodzenie danych.
3.4 Ślady dopasowujące długość
Szybkie magistrale pamięci i magistrale interfejsów mają wiele linii. Linie te pracują z bardzo wysoką częstotliwością, dlatego sygnały muszą docierać z końca nadawczego do odbiorczego w tym samym czasie. Wymaga to funkcji zwanej dopasowaniem długości. Większość popularnych standardów definiuje wartości tolerancji, które muszą być zgodne z długością.
3.5 Minimalizacja obszaru pętli
Projektanci szybkich obwodów drukowanych muszą wiedzieć, że sygnały o wysokiej częstotliwości powodują wiele problemów związanych z EMI i EMC. Aby zminimalizować te problemy, muszą oni przestrzegać podstawowych zasad, takich jak posiadanie ciągłych płaszczyzn uziemienia i redukcja obszarów pętli poprzez optymalizację ścieżek powrotu prądu dla ścieżek i umieszczanie dużej ilości przelotek.
Zdjęcie 3: Ścieżki o kontrolowanej impedancji i pary różnicowej wychodzące z układu BGA
4、Uwagi dotyczące projektowania płyt PCB dla wysokich prędkości
Poniżej przedstawiono najważniejsze kwestie związane z projektowaniem szybkich płyt PCB
4.1 Odbicia sygnału
Gdy sygnał jest bardzo szybki, przenosząca go ścieżka działa jak linia transmisyjna o charakterystycznej impedancji. Aby zminimalizować i odbicia wzdłuż ścieżki, wymagane jest dopasowanie impedancji linii do impedancji źródła sygnału.
4.2 Dzwonienie sygnałów
Dzwonienie sygnału jest wtedy, gdy występuje jakieś niepożądane przesunięcie w napięciu lub prądzie na linii transmisyjnej, co powoduje przepływ dodatkowego prądu i powoduje opóźnienia w dotarciu sygnału do miejsca docelowego. Może to być problem z wiadomości, takich jak wysokiej prędkości linii zegara. Dlatego sygnały te powinny być ekranowane przed wszelkimi zakłóceniami.
4.3 Problemy z przesłuchami
Gdy dwa ślady z szybkimi sygnałami są blisko siebie, mogą indukować napięcia do siebie nawzajem. Dlatego ważne jest, aby nie umieszczać takich śladów zbyt blisko siebie, aby zapobiec wzajemnym zakłóceniom.
4.4 Rozkład czasowy sygnałów
Jeżeli dwa ślady przenoszą sygnały o dużej prędkości i ich długości są różne, wtedy wiadomości docierają do miejsca przeznaczenia w nieco innym czasie; może to stanowić duży problem, jeżeli wiadomość ma być zsynchronizowana ze standardową linią zegarową. W tych przypadkach, trzeba długość dopasować sygnały.
5、Jak sprawdzić, czy potrzebny jest projekt o dużej szybkości?
5.1 Czy Twoja płytka PCB posiada interfejsy o dużej szybkości?
Szybkim sposobem na sprawdzenie, czy konieczne jest przestrzeganie wytycznych dotyczących projektowania z dużymi prędkościami, jest sprawdzenie, czy na płytce drukowanej znajdują się szybkie interfejsy, takie jak PCI-e, DDR, a nawet interfejsy wideo, takie jak DVI, HDMI itp.
Wszystkie te interfejsy wymagają przestrzegania zasad projektowania high-speed. Proszę podać dokładną specyfikację każdego z nich w jego dokumentacji.
5.2 Stosunek długości ścieżki do długości fali sygnałów
Ogólnie rzecz biorąc, jeśli długość fali Twoich wiadomości jest porównywalna z długością ścieżki, to Twoja płytka na pewno będzie wymagała projektowania z dużą prędkością. Niektóre standardy, takie jak DDR wymagają ścieżek, które muszą być dopasowane pod względem długości do minimalnych tolerancji.
Doskonałą przybliżoną wartością jest to, że jeśli długość śladu i długość fali są w granicach jednego rzędu od siebie. Wtedy pomocne będzie przyjrzenie się projektom o dużej szybkości.
5.3 Płyty z interfejsami bezprzewodowymi
Każda płyta, która ma antenę, czy to na płycie, czy przez złącze, musi być zaprojektowana dla sygnałów o dużej prędkości. Anteny pokładowe wymagają również ścisłego dopasowania impedancji i dostrojenia długości.
Płyty ze złączami SMA lub podobnymi wymagają, aby ścieżki idące do złącza miały określoną wartość impedancji.
Szczegółowy film na temat aspektów projektowania układów o dużej szybkości można znaleźć tutaj:
https://www.youtube.com/watch?v=6jrVZu7eqiw
Obraz 4: Szybkie interfejsy, takie jak DVI i USB wymagają szybkiej konstrukcji
6、Dlaczego OurPCB jest najlepszym wyborem dla Ciebie?
Obrazek 5: Maszyna pick and place umieszczająca komponenty SMD 0201 na płytce pcb
Istotne jest, aby wybrać odpowiedniego producenta dla swoich szybkich projektów. Ktoś, kto może wykonać Twoje projekty z precyzją, OurPCB jest jednym z takich producentów.
OurPCB jest międzynarodową firmą zajmującą się produkcją i montażem płyt PCB, która zapewnia globalną obsługę i wsparcie przy jednoczesnym wykorzystaniu swoich chińskich możliwości produkcyjnych.
Fabryka OurPCB jest wyposażona w zaawansowane maszyny, w tym między innymi trzy szybkie linie SMT, urządzenia pick and placers Siemens HS50, pick and placers Siemens F5, Heller 1809 Reflows, drukarki Speedline MPM, inteligentne lutownice OK oraz urządzenia do automatycznej inspekcji optycznej Otek, by wymienić tylko kilka z nich. Montujemy układy BGA, LGA, QFN, QFP, DIP, SIP, itd. Najmniejszy SMT footprint, który może być zamontowany to 0201. Możemy również zapewnić programowanie, okablowanie, jak również wtrysk, i conformal coating usługi.
7、Podsumowanie
Szybkie PCB projekt jest o biorąc pod uwagę wszystkie powyższe punkty i wybrać odpowiedniego producenta dla systemu high-speed. Projekty te wymagają dokładnych procesów produkcyjnych i testowania po produkcji.
OurPCB radzi sobie z wyzwaniami związanymi z szybkim projektowaniem i zapewnia, że otrzymasz produkt wysokiej jakości.
Aby uzyskać więcej informacji i złożyć zamówienie, odwiedź stronę: https://www.ourpcb.com/.