Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 1

Современные электронные устройства редко обходятся без высокоскоростных цифровых интерфейсов, таких, например, как PCI Express, SATA, HDMI, USB 3.0, Ethernet и LVDS. Это приводит к ужесточению требований по трассировке печатных плат, к необходимости согласования импедансов и длин проводников. Невыполнение этих требований зачастую создает проблемы с электромагнитной совместимостью и целостностью сигналов. В данной статье рассматриваются общие вопросы, позволяющие избежать основных ошибок при проектировании печатных плат с высокоскоростными интерфейсами
2206
В избранное

Импеданс проводников

Важно понимать, что импеданс одиночного проводника и импеданс дифференциальной линии - это далеко не одно и то же. Простые высокоскоростные сигнальные линии, такие, например, как в RGB-интерфейсе или в интерфейсе камеры, должны иметь согласованный импеданс. Этот импеданс рассчитывается между проводником и слоем земли (ZSingleEnded).

Линии высокоскоростных дифференциальных интерфейсов, например, PCIe, SATA, USB, HDMI и прочие должны иметь согласованное значение дифференциального импеданса (Zdifferential). Это импеданс между двумя сигнальными проводниками дифференциальной пары. Кроме того, каждый из проводников дифференциальной пары характеризуется собственным импедансом относительно слоя заземления. При выборе геометрии дорожек дифференциальный импеданс имеет более высокое значение, чем индивидуальный импеданс каждой из линий. Дифференциальный импеданс всегда оказывается как минимум в два раза меньше (формула 1):

Zdifferential < 2 ZSingleEnded   (1)

Сигнальные проводники допускают определенную погрешность импеданса (например, 50 Ом ± 15%). Однако при выполнении трассировки необходимо максимально точно выдерживать импеданс. Это обеспечивает большую гибкость при производстве печатных плат. Дело в том, что при производстве наблюдается дополнительное отклонение импеданса в разных партиях плат. Если полученный при трассировке импеданс находится в середине допустимого диапазона, то это гарантирует минимальное количество брака.

Для расчета импеданса можно использовать различные инструменты. Например, свой инструмент для этих целей предлагает компания Polar Instruments. Его часто используют производители печатных плат. Кроме того, многие производители могут помочь своим клиентам с оценкой величины импеданса. Большинство САПР имеют встроенные калькуляторы импеданса. К сожалению, эти калькуляторы эффективны не во всех случаях.

Если проводники расположены на верхнем или нижнем слое, то они могут иметь только одну опорную плоскость металлизации. Такие трассы называют микрополосковыми линиями или микрополосками. На рис. 1 показана геометрия микрополосковой линии. H1 - расстояние от трассы до соответствующей опорной плоскости. Er1 - относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала. Поперечный срез дорожки имеет трапециевидную форму, что является неизбежным следствием процесса травления. Разводка в САПР проводится с шириной дорожки W1. Ширина W2 зависит от высоты трассы (T1) и продолжительности травления. Для уточнения значения W2 следует обратиться напрямую к производителю печатной платы. S1 – расстояние между проводниками дифференциальной линии.

Геометрия микрополосковых линий

Рис. 1. Геометрия микрополосковых линий

Если проводники расположены на внутреннем слое печатной платы, то они могут иметь две опорные плоскости металлизации, что позволит ограничить распространение электромагнитного излучения и повысить устойчивость ко внешним источникам шума. Такие проводники называют полосковыми линиями. На рис. 2 показана геометрия полосковых линий. При проведении расчета импеданса необходимо учитывать толщину изоляционных слоев H1 и H2. H1 – толщина основания. H2 – толщина препрега. Толщина проводников внутренних слоев напрямую определяет толщину препрега H2. Показатели диэлектрической проницаемости основания и препрега могут незначительно различаться. Многие инструменты расчета импеданса способны учитывать эту особенность.

Геометрия полосковых линий

Рис. 2. Геометрия полосковых линий

В таблице 1 показаны типовые размеры микрополосков для четырехслойного стека печатной платы.

Таблица 1. Параметры микрополосковых линий для четырехслойной платы

Тип сигнала

Импеданс ZSingleEnded, Ом

Импеданс дифференциальной пары ZDifferential, Ом

Слой

Тип линии

W1, мкм

S1, мкм

Одиночный отвод

50

-

1,4

Микрополосок

180

-

PCIe, USB, HDMI

50

90

1,4

Микрополосок

180

190

SATA

55

90

1,4

Микрополосок

150

150

Ethernet

55

95

1,4

Микрополосок

150

165

LVDS

55

100

1,4

Микрополосок

150

200

В таблице 2 показаны типовые размеры микрополосков для шестислойнного стека печатной платы.

Таблица 2. Параметры микрополосковых линий для шестислойной платы

Тип сигнала

Импеданс ZSingleEnded, Ом

Импеданс дифференциальной пары ZDifferential, Ом

Слой

Тип линии

W1, мкм

S1, мкм

Одиночный отвод

50

-

1,6

Микрополосок

180

-

PCIe, USB, HDMI

50

90

1,6

Микрополосок

180

200

SATA

55

90

1,6

Микрополосок

150

130

Ethernet

55

95

1,6

Микрополосок

150

165

LVDS

55

100

1,6

Микрополосок

150

200

В таблице 3 показаны типовые размеры микрополосковых и полосковых линий для восьмислойного стека печатной платы.

Таблица 3. Параметры микрополосковых и полосковых линий для шестислойной платы

Тип сигнала

Импеданс ZSingleEnded, Ом

Импеданс дифференциальной пары ZDifferential, Ом

Слой

Тип линии

W1, мкм

S1, мкм

Одиночный отвод

50

-

1, 8

Микрополосок

180

-

3, 6

Полосковая

170

-

PCIe, USB, HDMI

50

90

1, 8

Микрополосок

180

200

3, 6

Полосковая

170

185

SATA

55

90

1, 8

Микрополосок

150

130

3, 6

Полосковая

140

120

Ethernet

55

95

1, 8

Микрополосок

150

165

3, 6

Полосковая

140

155

LVDS

55

100

1, 8

Микрополосок

150

200

3, 6

Полосковая

140

200

Размещение компонентов и оптимизация принципиальной схемы

Важность правильного размещения компонентов на печатной плате зачастую недооценивается разработчиками. Однако, как показывает практика, оптимальная расстановка элементов напрямую связана с решением проблемы возвратных токов. Если сигнальный проводник пересекает слой земли, то следует сначала проверить, действительно ли это неизбежно. Очень часто лучшим решением становится перемещение компонента.

При трассировке печатной платы трассировка проводников высокоскоростных цепей должна производиться в первую очередь. Некоторые сигнальные линии допускают использование ограниченного количества межслойных переходов. Это означает, что количество переходных отверстий должно быть минимальным. При размещении компонентов следует избегать пересечений проводников высокоскоростных цепей. В некоторых случаях даже имеет смысл разместить интерфейсную микросхему на другой стороне печатной платы. Некоторые интерфейсы, такие как PCIe, поддерживают смену полярности. Говоря простым языком, PCIe разрешает менять контакты положительного и отрицательного сигналов местами, чтобы избежать пересечения проводников дифференциального сигнала (рис. 3).

Следует изменять полярность сигналов, если интерфейс это позволяет

Рис. 3. Следует изменять полярность сигналов, если интерфейс это позволяет

Некоторые интерфейсы, использующие несколько дифференциальных линий, позволяют менять их местами. Это также помогает избежать пересечения проводников на печатной плате (рис. 4). Следует отметить, что изменение полярности сигналов в дифференциальной паре является обязательной функцией интерфейса PCIe, однако возможность менять дифференциальные пары местами определяется функционалом PCIe-контроллеров и конкретных микросхем, используемых в устройствах. По этой причине прежде чем менять линии местами, необходимо ознакомиться с документацией на конкретную микросхему.

Возможность менять дифференциальные пары местами помогает избежать пересечения проводников на печатной плате

Рис. 4. Возможность менять дифференциальные пары местами помогает избежать пересечения проводников на печатной плате

При размещении компонентов следует учитывать, что для проводников высокоскоростных интерфейсов обычно требуется больше места на плате, чем для простых проводников. Если на плате используются разные типы сигналов, например, аналоговые и высокоскоростные цифровые, то необходимо с особой осторожностью отнестись к размещению компонентов. При создании проводящего рисунка печатной платы иногда приходится выполнять несколько вариантов трассировки, чтобы получить оптимальный результат.

Цепи питания

Потребление цифровых схем имеет импульсный характер. Импульсный ток может быть относительно большим и содержать высокочастотные составляющие. Если проводники питания имеют значительную длину, то возникающие импульсы тока приводят к появлению высокочастотного шума, который накладывается на другие сигналы. Поскольку реальные проводники не идеальны и характеризуются паразитным сопротивлением и паразитной индуктивностью, генерируемый высокочастотный шум будет распространяться по цепям питания (рис. 5). Другая проблема заключается в том, что паразитная индуктивность проводников ограничивает импульсы тока, что вызывает просадки напряжения питания. Для решения этой проблемы необходимо применять развязывающие конденсаторы, подключенные к выводам питания цифровых микросхем. Развязывающие конденсаторы действуют в качестве резервных локальных источников питания и обеспечивают протекание значительных импульсных токов в течение коротких промежутков времени.

Использование развязывающих конденсаторов

Рис. 5. Использование развязывающих конденсаторов

В идеальном случае индивидуальные развязывающие конденсаторы должны быть размещены возле каждого вывода питания интегральной схемы. Если контакты питания находятся близко друг к другу, то иногда допускается использование одного общего конденсатора для нескольких выводов. Расстояние между конденсатором и выводом питания должно быть минимальным. Кроме того, рекомендуется использовать проводники максимальной ширины и минимальной длины. Следует уделить внимание анализу протекания тока. Предпочтительно, чтобы ток сначала проходил развязывающий конденсатор, а затем попадал на вывод питания.

Необходимо использовать достаточное количество переходных отверстий для подключения к слоям питания. Как правило, число переходных отверстий выбирается из расчета одно отверстие на один ампер тока. Если развязывающие конденсаторы расположены на другой стороне печатной платы, и ток должен проходить через сквозные отверстия, также необходимо учитывать пиковый ток. Кроме того, нельзя забывать о возвратном токе. Количество переходных отверстий к слою земли должно быть равно количеству переходных отверстий к слою питания.

Развязывающие конденсаторы следует размещать максимально близко к выводам питания

Рис. 6. Развязывающие конденсаторы следует размещать максимально близко к выводам питания

Известно, что конденсаторы большой емкости имеют малую частоту собственного резонанса, что приводит к ограничению скорости, с которой они способны передавать энергию в нагрузку при возникновении импульсов тока. В то же время энергии, накопленной в конденсаторе малой емкости, может не хватить для обеспечения импульсов тока нагрузки.

По этой причине чаще всего для выполнения развязки по питанию используется комбинация из конденсаторов большой и малой емкости (например, 100 нФ + 10 мкФ). При этом конденсатор меньшей емкости должен располагаться ближе к выводу питания, чем конденсатор большей емкости.

Если на основной плате размещаются импульсные повышающие или понижающие преобразователи, следует убедиться, что их расположение соответствует рекомендациям производителя.

Стоит помнить, что суммарная емкость конденсаторов, подключенных к шине питания, не может быть безграничной. Если общая емкость велика, то при быстром включении питания возникает огромный бросок тока, связанный с зарядом развязывающих конденсаторов. С одной стороны, это приводит к генерации значительных электромагнитных помех, а с другой - возможно срабатывание цепей защиты от коротких замыканий.

Иногда следует ограничивать скорость включения питания. На рис. 7 предложена простая схема плавного включения питания. Конденсатор C1 и резистор R1 ограничивают скорость нарастания напряжения. Номиналы эти компонентов должны быть выбраны с учетом существующих требований. Рекомендуется поместить развязывающий конденсатор C2 вблизи коммутирующего транзистора.

Простая схема плавного включения питания

Рис. 7. Простая схема плавного включения питания

При трассировке проводников питания важно всегда помнить о паразитных параметрах - электрическом сопротивлении и индуктивности. Нужно стараться сделать проводники питания максимально широкими или использовать не отдельные дорожки, а сплошные полигоны. Также следует учитывать толщину металлизации. Стандартное значение составляет 18 мкм. При толщине меди 18 мкм для ориентировочных расчетов полагают, что удельное сопротивление проводника шириной 0,1 мм и длинной 0,1 мм примерно равно 1 мОм. То есть, проводник шириной 0,1 мм и длиной 100 мм имеет сопротивление 1 Ом.

Из-за процесса металлизации переходных отверстий толщина меди на внешних слоях печатной платы обычно больше, чем на внутренних, и достигает 35 мкм. По этой причине удельное сопротивление внешних проводников оказывается в два раза меньше – около 0,5 мОм. Переходные отверстия также имеют собственное сопротивление, что приводит к ограничению токовой нагрузки. При расчетах обычно полагают, что на каждый 1 А тока должно приходиться одно переходное отверстие.

Переходные отверстия сигнальных линий приводят к появлению вырезов в металлизации слоев питания и земли. Группы близко расположенных отверстий создают места повышенной плотности тока. Эти области становятся точками перегрева. Крайне важно избегать их возникновения. Зачастую решить проблему можно с помощью равномерного размещения переходных отверстий, чтобы между ними оставалось достаточно места для протекания тока, как это показано на рис. 8.

Следует избегать появления узких мест, приводящих к перегревам

Рис. 8. Следует избегать появления узких мест, приводящих к перегревам

Журнал: https://toradex.com

Сравнение позиций

  • ()