Сетевая библиотекаСетевая библиотека

Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации

Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации
Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации. Справочник начинающего Si Engineer & High Speed PCB Designer А. В. Трундов Книга «Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации» продолжает знакомство с современными и востребованными профессиями High Speed Engineer, SI Engineer и High Speed PCB Designer, начатое в первой книге «Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы».В книге предложены практические правила и маршруты проектирования/анализа печатных плат в системах Cadence Sigrity и HyperLynx SI, PI, Thermal компании Mentor (A Siemens Business). Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации Справочник начинающего Si Engineer & High Speed PCB Designer А. В. Трундов Посвящается моим учителям © А. В. Трундов, 2019 ISBN 978-5-0050-2391-9 Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero Книга «Высокоскоростные печатные платы. Практические рекомендации», представленная вашему вниманию, продолжает знакомство с современными и востребованными профессиями High Speed Engineer, SI Engineer и High Speed PCB Designer, которое мы начали в первой книге «Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы». В ней предложены практические правила и рекомендации для проектирования и анализа высокоскоростных печатных плат, основанные на применении теоретических основ и практическом опыте автора. Достоверность расчетов и анализов была проверена на реальных печатных платах изготовленных и успешно работающих устройств. Дополнительно, книга познакомит вас с современными системами моделирования/анализа целостности сигналов, питания, волновых, тепловых, электромагнитных и других процессов Sigrity Cadence и HyperLynx SI, PI, Thermal компании Mentor (A Siemens Business). Здесь вы найдете как маршруты проектирования/анализа автора, так и маршруты с описанием достоинств программных пакетов, предложенные представителями компаний разработчиков. Обе книги содержат авторский перевод некоторых иноязычных фрагментов и цветные иллюстрации. Печатные версии «черно-белых» книг, выполненные по технологии «Печать по требованию», будут доступны в магазинах. С учетом того, что иллюстрации не были подготовлены для черно-белой печати, вынужден предупредить, что приобрести их вы сможете только на свой страх и риск. Рекомендуется использовать электронные версии книг с цветными иллюстрациями и возможностью масштабирования изображений. Аннотация представителя компании Mentor (A Siemens Business) В далеком 2014 году российское гик-сообщество всколыхнула публикация пользователя под ником @Biochemist на популярном среди инженеров и программистов ресурсе www.habr.com (http://www.habr.com/). Публикация называлась «Инженерная культура, которую мы потеряли» и представляла собой настоящий крик души работодателя, который решил нанять в штат молодого инженера-электронщика, вчерашнего выпускника технического вуза. Почтенный @Biochemist был до глубины души поражен тем фактом, что обладатели дипломов ведущих технических ВУЗов страны неспособны нарисовать диодный мост и ответить на вопрос, что такое триггер. Публикация вызвала бурное обсуждение, которое вышло далеко за пределы мировой сети. В курилках московских НИИ бывалые инженеры клеймили позором молодых и заслуженных коллег, предлагая тем аналогичные задачи. Если те допускали ошибки, следовали горькие рассуждения о том, насколько всё плохо в отечественной электронике и как же мы теперь будем жить. Сам @Biochemist пришёл в итоге к выводу, что современный российский студент технического ВУЗа к старшим курсам впадает в тяжёлую депрессию от непонимания, зачем именно ему нужен весь этот массив теоретических и неочевидно-практических знаний. Обусловлено это, опять же, по мнению автора публикации, отсутствием спроса на инженеров-электронщиков со стороны реального сектора экономики. И единственный способ заполучить в штат толкового работника – это взять студента на 2—3 курсе с ещё горящими глазами и давать ему реальные задачи, то есть совместить его обучение непосредственно с реальной производственной практикой. Возможно, научно-скептически подкованный читатель подвергнет вышеописанное, критике. Позвольте! – заметит он, – Но ведь мы не знаем выборки, мы не знаем условий, которые предлагали молодым инженерам, мы не знаем, все ли ведущие ВУЗы были охвачены. Всё это, безусловно, так. Однако рассуждения уводят нас в сторону от основной мысли и, как следствие, от направленности данной книги. Вся проблематика состоит в том, что современный молодой специалист зачастую действительно дезориентирован. Для него совершенно неочевидны практические применения всего того массива знаний из области общей физики, электротехники, цифровой и аналоговой электроники, импульсной техники и ЗТТТ (зонной теории твёрдых тел). Он совершенно искренне не связывает переходные отверстия и паразитную индуктивность, теорию четырехполюсников и S-параметры, витую пару и дифференциальные буферы микросхем. И, на мой взгляд, это большой недостаток современной системы обучения, который нам, российским инженерам, жизненно необходимо преодолеть в ближайшие годы. Другой аспект дезориентации специалиста состоит в том, что он попадает, как говорится, «с корабля на бал». Он только что изучил, фигурально выражаясь, все свойства кирпича и бетона, имеет за плечами курсовую о влиянии геометрии арматуры на тепловое распределение панельных построек, и тут попадает на реальную стройку, где ему дают раствор, кирпич, мастерок и говорят: «Строй!». «Позвольте», – говорит молодой инженер, «Но как же… Нас этому не учили». На что седоусый прораб резко отвечает, что учить его некогда, что нужно работать, выполнять план, иначе сорвутся сроки. Всё это не может не вогнать нэофита в ещё большее уныние, и данная проблема является комплексной. Тут и отрыв ВУЗовской программы от реальных потребностей производства и экономики, и формальный подход к производственной практике, и перекос в количестве учебных часов в сторону теории. Что же остаётся молодому специалисту в этой ситуации? Его спасает только самообразование. Долгие часы за книгами, многие сотни видео на Youtube (Логос, благослови цивилизацию, что такие возможности сейчас у нас есть!) Всё это вдобавок к основной работе, в которой тоже следует разбираться вдумчиво, не стесняясь учиться у старших товарищей по ремеслу, и методом проб и ошибок выстраивать свою дорогу. Вот тут мы приходим к третьей и очень важной проблеме российской электроники. Ни для кого не секрет, что сложность печатных плат и микросхем растёт год от года. Появляются новые интерфейсы, растут частоты, скорости передачи информации. Появляются новые подходы к трассировке, анализу и технологии изготовления печатных плат и кристаллов. А главное – сохраняется тенденция к миниатюризации, что в конечном итоге не может не привести к неизбежному взаимовлиянию высокоскоростных цепей друг на друга. Так вот, проблема именно российского рынка электроники состоит в том, что литературы на русском языке по проблемам высокочастотного проектирования и целостности сигналов чрезвычайно мало. Все новые статьи и книги традиционно выходят на английском языке, что является для многих российских инженеров тяжелым психологическим барьером. В контексте всего вышесказанного книга Андрея Васильевича Трундова является настоящей находкой для инженера-электронщика, желающего самостоятельно освоить благородное искусство «черной магии» – искусство анализа целостности сигналов на плате, но не знающих, как к этой страшной бездне подступиться. Не скрою, я получил истинное удовольствие от прочтения рукописи Андрея Васильевича, несмотря даже на свой обширный опыт проектирования и анализа печатных плат. И вот почему. Автор замечательно комбинирует теоретические выкладки с их практическим применением, создавая именно те ментальные мостики, которых так не хватает молодым специалистам. Уже с первых глав к читателю приходит понимание того, как именно физические основы из курса электромагнетизма влияют на аспекты трассировки печатных плат. Баланс фаз, колебательный контур, объёмный резонатор – все эти эфемерные понятия моментально обретают плоть. Отдельно хочется отметить иллюстративный материал. Визуализация аспектов схемотехники и сопутствующей трассировки очень важна именно в комплексе, что блестяще реализовано в описываемой работе. Автор предоставляет пытливому читателю большое число таблиц, которые будут весьма полезны в повседневной практике. Например, зависимость частоты последовательного/параллельного резонансов в различных типах линий передач от длины линии. Другое семейство полезных таблиц представляет собой зависимость ряда важных характеристик различных линий передачи от критической длины линии. Например, минимальной длительности одиночного импульса или частоты первой гармоники. Основная ценность книги – структурированный личный опыт. Пошаговые советы будут очень полезны как молодым инженерам, так и специалистам, чей опыт лежит в плоскости несколько отличной от трассировки и анализа PCB. Например, библиотекарям или схемотехникам. Под библиотекарями я подразумеваю не только инженеров, которые создают библиотечные элементы для печатных плат, но и специалистов по Spice, AMS, IBIS и Valydate моделированию. Читателя не должно ни в коей мере смущать то, что автор приводит в пример скриншоты из старой версии HyperLynx 9.2. Текущая версия продукта называется HyperLynx SI, PI, Thermal VX2.6. Она, конечно, значительно отличается в лучшую сторону от своего предка, однако приведённые в книге пути анализа никуда не исчезли. Изменилось только относительное месторасположение некоторых меню. Следовательно, разобраться в новой версии у пользователя не составит труда. Гораздо важнее то, что автор, будучи, безусловно, талантливейшим самоучкой, находится в негативной информационной среде, которую российские компании, к сожалению, унаследовали от СССР. И дело здесь не в том, что советская инженерная школа была в чем-то плоха. Она была великолепна. Проблема в том, что наследие устаревших подходов и ГОСТов никак не может адаптироваться к вызовам современного мира. В частности, читатель не найдет в данной работе руководства по анализу S-параметров, несмотря на то, что это остриё, настоящий мейнстрим современной науки о целостности сигналов. Надеюсь, этот недочёт сможет в ближайшее время восполнить Ваш покорный слуга. Поэтому, я призываю Вас посещать веб-сайты: https://www.mentor.com (https://www.mentor.com/), http://www.xpads.ru/ (http://www.xpads.ru/), где в скором времени будут в большом количестве появляться мои вебинары по данной тематике. С уважением, Ведущий технический консультант, PCB, Никеев Кирилл Михайлович. Технический представитель компании Mentor (A Siemens Business) в России, Турции, Пакистане и на Ближнем Востоке. ______________________________________________________________________ Текст оригинальный, предназначен только для книги «Высокоскоростные печатные платы…» и представлен в авторской редакции. Предисловие В книге представлены рекомендации по проектированию печатной платы, основанные на теории распространения электрических сигналов в линиях передачи и многолетнем опыте работы автора, подтвержденные анализами в пакетах моделирования/анализа Cadence Sigrity и HyperLynx SI, PI, Thermal компании Mentor (A Siemens Business) – далее по тексту HyperLynx. Цель книги – показать примеры применения правил сохранения целостности электрических сигналов на практике. Если вы не инженер и не решаете сложные задачи, связанные с гарантированным доведением информации до потребителя, вы можете применять указанные рекомендации в качестве правил хорошего тона. БОльшая часть примеров и иллюстраций получена в среде HyperLynx 9.2. Данная версия продукта сильно устарела, но показывает хорошую сходимость результатов моделирования и теоретических расчетов. Применение HyperLynx SI, PI, Thermal для иллюстрации электрических процессов в данной книге нисколько не говорит о достоинствах или недостатках данного пакета относительно программы Cadence Sigrity. Оба продукта позволяют решить все задачи, необходимые для обеспечения проектирования высококачественных плат и систем, и должны быть интегрированы в автоматизированные рабочие места инженеров-схемотехников и конструкторов печатных плат, а также в процесс подготовки студентов и молодых инженеров в высших учебных заведениях. Большую благодарность за терпение и поддержку в процессе подготовки книги хочу выразить моим родителям, семье, учителям, начальникам. Хочу выразить признательность за помощь в создании книги моим коллегам, в частности, ведущему инженеру Прокурову А. С., представителям компаний Mentor (A Siemens Business) – Никееву К. М., Лобзову Д. А. и Cadence – Акулину А. И. и Супонину А. В., а также сотрудникам кафедры «Радиотехника и Радиоэлектронные системы» ПГУ и моему научному руководителю, д.т.н., профессору, зав. кафедрой «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета Светлову А. В. Введение Поскольку я практикующий инженер-схемотехник, в книге буду делиться только теми знаниями, которые в моей практической деятельности позволили решить инженерные задачи. Автор не несет ответственности за Ваши решения, основанные на информации, предложенной в данной книге. Автор не несет ответственности за случайные совпадения с мыслями других авторов. В разделе «Практические рекомендации» предложен перечень моментов, на которые стоит обратить внимание перед началом проектирования платы. Представлены рекомендации по размещению элементов на плате, организации классов, выбору критичных цепей, построению стека. Вы узнаете правила согласования сопротивлений в местах неоднородностей, разводки проводников, обеспечения ЭМС и эффективной локальной экранировки. В разделе «Пример из практики» представлен небольшой анализ реальной печатной платы с обнаруженной проблемой в работе интерфейса USB 2.0 High Speed, которую инженеры с большим практическим опытом не смогли решить стандартными способами. На конкретном примере показано, как аналитическим путем, применяя правила сохранения целостности сигнала, а также с помощью современных программ, удалось найти возможные причины неисправности и выдать рекомендации по их устранению. В разделе «Анализ качества линий передачи печатной платы» предложены алгоритмы анализа отдельной линии передачи и печатной платы. Маршруты анализа печатных плат в программах моделирования/анализа Cadence Sigrity и HyperLynx SI, PI, Thermal познакомят вас с работой мощных современных систем, позволяющих быстро получить максимальное количество достоверной информации о целостности сигнала, питания, электромагнитной совместимости и тепловых режимах работы. Они помогут понять и проверить теоретические основы, представленные в первой книге «Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы». В главах «Комментарии и дополнения представителей компании Mentor (A Siemens Business) ” и «Комментарии и дополнения представителей Cadence» предложены альтернативные взгляды и маршруты проектирования с максимальным использованием возможностей программных продуктов Cadence Sigrity и HyperLynx SI, PI, Thermal. Практические рекомендации по проектированию печатной платы Уже на этапе проектирования электрической схемы инженер-схемотехник должен хорошо представлять назначение платы, электрические, механические, конструктивные, климатические, технологические и другие требования, предъявляемые к устройству. Инженер должен понимать электрофизические процессы, происходящие в печатных платах, хорошо знать параметры сигналов используемых стандартов, правила и критерии оценки необходимости экранировки линий передачи и узлов схемы, правила обеспечения электромагнитной совместимости. Инженер должен знать правила разработки однородных линий передачи и методы устранения неоднородностей, должен уметь определить, возможно ли возникновение резонансов, требует ли линия передачи согласования сопротивлений. Все эти знания должны быть использованы при разводке печатной платы или при формировании технического задания на разработку конструкции. Перед проектированием конструкции печатной платы, необходимо определить следующие моменты. – Назначение печатной платы. – Внешние воздействующие факторы. – Серийность. – Повторяемость результатов. – Параметры интерфейсов. – Характеристики линий передачи. Габаритные размеры печатной платы определяются требованиями к конструкции изделия. Чертеж постоянных данных от разработчика конструкции корпуса позволит избежать многих ошибок. Перед разводкой трасс должен быть определен стек печатной платы и разработан эскиз размещения элементов на плате. Рекомендуется выполнить предтопологический анализ критичных цепей с помощью программы HyperLynx SI. Размещение элементов на печатной плате Нет одного универсального правила, которое позволило бы оптимально разместить элементы в любой печатной плате или любом устройстве. Иногда требования эргономики или теплоотведения, менее критичные по отношению к требованиям обеспечения работоспособности высокоскоростных интерфейсов, могут быть поставлены на первое место. Тем не менее, инженер-схемотехник всегда должен ставить задачу обеспечения работоспособности и надежности на первое место. Можно сформулировать ряд правил, дающих направление всей дальнейшей стратегии размещения элементов на плате. – Начинайте размещение элементов с самых сложных узлов, вычислителей (микропроцессоры, микроконтроллеры, ПЛИС). Располагайте их так, чтобы все критичные высокоскоростные связи между ними имели малую длину, минимальное количество изгибов, ответвлений и переходных отверстий. Учитывайте расположение интерфейсных микросхем с целью сокращения длин всех критичных цепей. – Выполните размещение микросхем памяти. Сложности возникают, когда к одной параллельной шине подключается несколько устройств. В этом случае размещайте микросхему памяти рядом с микросхемами процессоров, микроконтроллеров, ПЛИС или между ними. – Выполните размещение тактовых генераторов. Чтобы избежать сложностей при необходимости тактирования нескольких устройств от одного генератора, увеличивайте количество генераторов. Такое решение позволит сэкономить значительные средства, связанные с возможной доработкой устройств с искажением сигналов. Либо применяйте буферные разветвители тактовых сигналов. – Отладочные соединители, периферийные приемопередатчики, буферные усилители, эквалайзеры, драйверы размещайте на периферии печатной платы в соответствии с расположением разъемов, органов управления, индикаторов в корпусе разрабатываемого прибора. – Группируйте элементы источников электропитания. Размещайте их на удалении от высокоскоростных интерфейсов. – Учитывайте тепловыделение элементов. Современные ПЛИС большого объема могут рассеивать мощности в десятки ватт. Распределите логический объем ПЛИС в нескольких корпусах. Так вы снизите мощность рассеяния и улучшите распределение тепла по поверхности платы. Дополнительно вы можете использовать анализаторы температуры на поверхности печатной платы систем Sigrity и/или HyperLynx, такие как HyperLynx Thermal, FloTherm и FloEFD [18, 19]. – Не допускайте превышения температуры отдельного корпуса выше 100°С, даже если сами электрические элементы могут работать до 125—150°С. – Особенно важно учитывать тепловыделение микросхем стабилизаторов напряжения. Понижающие импульсные преобразователи напряжения (DC/DC) имеют КПД более 80%, и лишь небольшая часть мощности рассеивается на их корпусах в виде тепла. При мощности нагрузки в единицы ватт, тепловыделение таких стабилизаторов составляет десятые доли ватта, что не столь критично, как при использовании линейных стабилизаторов напряжения (LDO). КПД линейных стабилизаторов редко бывает выше 40% и для эффективного пассивного охлаждения на печатной плате требуется принять ряд мер, чтобы не было локальных перегревов и коробления материалов платы. Наиболее простой и эффективной мерой снижения температуры печатной платы является выполнение земляных полигонов в нескольких слоях платы и их соединение через множество переходных отверстий, расположенных на расстоянии 2—3 мм друг от друга. – Используйте инструмент HyperLynx PI как в LineSim, так и в BoardSim для учета реальных токов потребления нагрузок и более правильной оценки выделяемой мощности. – Фильтрующие конденсаторы большой емкости размещайте рядом с выходом источника питания. Высокие значения эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) в них не столь критично влияют на эффективность фильтрации, поскольку из-за больших значений емкостей (десятки и сотни микрофарад) частотная характеристика имеет спад в областях, начиная от единиц килогерц, где импеданс выводов из-за ESL имеет низкие значения в десятые доли или единицы Ом. – Фильтрующие конденсаторы меньших номиналов (0,1 мкФ, 10 нФ и др.), у которых ESL имеет меньшие значения и требуется учитывать уже длину подводящего проводника между выводом конденсатора и выводом «фильтруемой» микросхемы, рекомендуется размещать максимально близко к корпусам микросхем. – Для BGA корпусов рекомендуется размещать фильтрующие конденсаторы под корпусом. Используя технологии «Buried» и «Embedded», вы сможете освободить дополнительное место на обратной стороне печатной платы под BGA компонентом [19]. – Не старайтесь устанавливать один фильтрующий конденсатор на группу от двух до четырех выводов микросхем ПЛИС, процессоров, контроллеров, доводя их количество до десятков на один корпус микросхемы. – Не устанавливайте много конденсаторов различных номиналов. Устанавливайте конденсаторы по периметру микросхем и применяйте проходные фильтры, обеспечивающие затухание в широкой полосе частот. Так вы сократите площадь и обеспечите более эффективную фильтрацию. – Инструмент LineSim PI позволит определить точное требуемое количество фильтрующих конденсаторов [19]. Анализ Decoupling Analysis позволит определить точное место установки отдельных конденсаторов или матрицы конденсаторов [18, 19]. – Последовательные согласующие резисторы размещайте рядом с источниками сигналов. Параллельные терминирующие и согласующие резисторы размещайте близко к нагрузке. Подробнее о методах согласования смотрите главу «Методы согласования неоднородностей» в книге «Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы». – Продумайте размещение экранов и теплоотводов с учетом правил сохранения целостности сигналов (ПСЦС) и требования электромагнитной совместимости (ЭМС). Смотрите главу «Рекомендации по экранировке группы элементов на плате». Есть много других практических нюансов, которые нарабатываются с опытом. Их все невозможно учесть в одной главе. Важно понимать, что конструкция печатной платы по сложности может быть сопоставима с конструкцией многоэтажного дома. Нужно учитывать множество как электрических, так и физических воздействующих факторов, заданных в техническом задании, или предполагаемых, исходя из назначения аппаратуры. От того, насколько полно и точно вы будете их учитывать, и насколько правильно сможете защититься от вредных воздействий, будет зависеть надежность разработанного вами изделия. Только когда будет решена описанная выше задача оптимального размещения элементов на печатной плате, переходите к разработке стека печатной платы. Одновременно продумывайте и применяйте меры для сохранения целостности электрических сигналов. Организация классов и критерии выбора критичных цепей В электрической схеме должны быть сформированы классы цепей. Классы цепей – это группы сигналов, объединенные по различным критериям. Классы цепей должны быть расставлены по приоритетам. Самые критичные высокочастотные цепи, цепи с высокоскоростными сигналами, должны быть разведены в печатной плате в первую очередь. Основными при формировании классов могут быть следующие критерии. 1. Частота передаваемого сигнала. 2. Скорость изменения фронта и спада импульса. 3. Помехоустойчивость и низкие собственные излучения. 4. Входимость линии передачи в параллельную или последовательную шину. 5. Тип линии передачи (дифференциальный или последовательный). 6. Длина линии передачи. 7. Волновое сопротивление линии передачи. На основании первых двух критериев должна быть проведена оценка (синтез и анализ) амплитудно-частотной характеристики линии передачи, полосы пропускания и допустимой частоты среза АЧХ. Для оценки необходимости согласования с нагрузкой/источником сигнала нужно определить критическую длину линии передачи. Исходя из частот первой, третьей или пятой гармоник, вносящих основной вклад в форму прямоугольного импульса, нужно оценить вероятность попадания спектра сигнала в возможные полосы резонанса линии передачи в режиме холостого хода. Можно поступить проще, и применить классы, основанные на разделении сигналов и линий по частотным диапазонам, как показано в первой книге серии «Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов» [15]. Или можно сделать всего два класса цепей – класс сигнальных цепей с заданным волновым сопротивлением и класс цепей питания. Обратите внимание, что для каждого класса в книге приведены различные правила трассировки линий передачи, которые можно применить и в автоматизированной системе проектирования, что упростит последующую работу по оценке возможных неисправностей. Рекомендуется сделать отдельный класс для дифференциальных пар. Если дифференциальные пары принадлежат интерфейсам с различными требованиями, количество классов можно увеличить. Рекомендуется сформировать отдельные классы для шины данных и шины адреса. Все линии шин должны проходить в равных условиях, должны иметь одинаковые количества изгибов, проходить через одинаковые слои, переходные отверстия. Только физическое выравнивание длин линий в шине не учитывает различие скоростей распространения сигналов в разных слоях и участках платы. При использовании технологий «тромбон», «меандр» с целью выравнивания длин проводников в шине необходимо учитывать, что они вносят разные задержки в линии передачи. Не стоит полагаться только на выравнивание физических длин линий передачи. В диапазоне частот 300 МГц – 3 ГГц «тромбоны» и «меандры» могут создавать индуктивности и резонансные контуры. Рекомендуется сформировать отдельный класс цепей питания и потенциальных линий (в которых логические уровни меняются относительно медленно). Это уменьшит количество ошибок при разводке цепей электропитания. Например, недостаточное число переходных отверстий при переходе питания из слоя в слой при анализе целостности питания будет заметно как большое падение напряжения на группе отверстий. Плотности токов на этих участках могут достигать десятков ампер на квадратный сантиметр. Можно создавать классы на основании значений волновых сопротивлений линий передачи. Таким образом, вы упростите последующий анализ волновых сопротивлений, выполнив визуальный контроль проводников по ширине в пределах каждого отдельного слоя. Организация стека печатной платы Общее правило, которое необходимо выполнять при организации стека высокоскоростной печатной платы, заключается в необходимости чередования сигнальных слоев с опорными слоями. Рядом со слоем питания рекомендуется располагать земляной слой для выравнивания высокочастотных потенциалов и взаимной компенсации помех. Ниже представлен примерный порядок расположения слоев в печатной плате. 1. Сигнальный слой 2. Опорный слой земли 3. Слой питания 4. Опорный слой земли 5. Сигнальный слой Опорным слоем лучше считать земляной слой, поскольку в слое питания могут быть разрывы, которые недопустимы под высокоскоростными трассами. Слой земли должен быть выполнен сплошной заливкой без разрывов. В примере выше данное правило привело к установке одного дополнительного опорного слоя №4. Сигнальные слои чаще рекомендуется располагать на поверхностях платы, поскольку такой подход позволяет избежать установки проходных отверстий между слоями платы. Иногда сигнальные слои рекомендуется расположить внутри стека для повышения помехоустойчивости и улучшения электромагнитной совместимости. Примерный порядок расположения слоев для этого случая показан ниже. 1. Опорный слой земли. 2. Сигнальный слой. 3. Опорный слой земли. 4. Слой питания. Исходя из заданной толщины печатной платы, можно выполнить предварительный расчет количества слоев. Нужно учитывать технологические особенности и возможности изготовления препрегов заданной толщины в условиях конкретного производства. Можно определить количество слоев, исходя из количества классов, полного количества цепей, количества напряжений и слоев питания. Группируйте самые критичные цепи в одном слое, классы с менее критичными цепями в другом сигнальном слое, и так далее. Иногда лучше добавить пару слоев, но упростить и улучшить разводку критичных цепей. Данный подход требует бОльших финансовых вложений (плата с большим количеством слоев стоит дороже), но окупается, поскольку правильно разведенная плата не требует последующей дорогостоящей корректировки. Правила обеспечения ЭМС В данной главе представлен ряд правил, выполнение которых позволит улучшить электромагнитную обстановку внутри и вокруг разрабатываемого прибора. – Размещайте одиночные проводники на расстоянии не менее 3d друг от друга для уменьшения связи и уровня перекрестной наводки. При возможности проводите анализ перекрестных искажений в среде моделирования/анализа Sigrity или HyperLynx SI. – Используйте дифференциальные линии передачи вместо одиночных линий. Достоинства дифференциальных линий передачи представлено в одноименной главе книги «Высокоскоростные печатные платы. Теоретические основы.» – Выполняйте симметричную разводку линий дифференциальной пары. Старайтесь сохранить одинаковое расстояние между линиями на всем протяжении дифференциальной пары, если связь между ними должна быть сильной. – Выполняйте ортогональную разводку групп проводников в пределах одного слоя печатной платы. Рис. 1 Ортогональное размещение групп проводников В этом случае влияние одной группы сигналов на другую группу будет снижено из-за уменьшения емкостных наводок. В разных слоях выполнять эту рекомендацию не обязательно, поскольку они по определению должны быть разделены опорным слоем, и емкостная наводка в этом случае будет стремиться к нулю, даже при отсутствии ортогональной разводки. – Экранируйте источники мощного электрического или магнитного поля с помощью локальных экранов. – Старайтесь выбирать размеры линий, исходя из значения критической длины линии передачи. Не делайте электрически длинные линии, если это возможно. – Делайте обязательное согласование электрически длинных линий для предотвращения влияния собственных резонансов на передаваемый по ним сигнал и снижения собственных излучений. – Используйте слои платы для экранировки критичных цепей. Выполняйте полосковые линии передачи внутри стека печатной платы. – Обеспечивайте путь протекания возвратного тока в месте установки переходных отверстий. – Переходные отверстия в дифференциальных линиях передачи располагайте симметрично на минимальном расстоянии от одиночных линий. – Ограничивайте полосу пропускания линии передачи значением пятой, и даже третьей гармоники, частоты основного сигнала. Для этого снижайте скорость изменения фронта/спада импульса, управляя микросхемой драйвера, либо установкой последовательных резисторов. – Используйте программы моделирования ЭМС, например, HyperLynx DRC. Выполняйте предтопологический и/или посттопологический контроль качества критичных линий передачи. – Для удобства расчет волновых сопротивлений выполняйте с помощью on-line или off-line калькуляторов [17]. – Проверяйте значения волновых сопротивлений проводников в изготовленных печатных платах. Заказывайте изготовление тестовых шаблонов. Проектирование печатной платы с учетом технологии производства Одной из важнейших составляющих качественного проектирования высокоскоростных печатных плат является проведение DFA, DFR и DFT анализов. DFA – Design For Assembly (Проектирование с учетом конструктивных особенностей). DFR – Design For Reliability (Проектирования с целью повышения надежности). DFT – Design For Testability (Проектирование с целью повышения контролепригодности). Интеллектуальная среда DFM проверок, например, Valor NPI, позволяет выполнить технологический контроль печатной платы по завершении любого из перечисленных этапов: – создание посадочных мест и библиотечных элементов, – размещение элементов на печатной плате, – изменения в размещении, вызванные DFT и DFR проверками, – завершение трассировки печатных проводников, – DFA анализ, – панелирование, – DFA анализ панелирования, – DFT анализ. DFM (design for manufacturability) переводится как проектирование с учетом технологических и производственных особенностей. Данный анализ позволяет точно ответить на вопрос, будут ли в процессе производства в изготовленной печатной плате сохранены и выполнены все свойства, заложенные при проектировании. Без проведения данного анализа вы не сможете быть уверенны, что ваше красивое и современное здание не превратится в карточный домик, из-за технологической ошибки или недооценке того или иного производства. Дополнительно DFM анализ позволяет находить ошибки и несоответствия в самом проекте печатной платы, например, несоответствия в сборочном чертеже и спецификации. Результатом DFM анализа становится детальный отчет о возможности изготовления платы в соответствии с разработанным пакетом конструкторской документации и выявленными нарушениями. Необходимость опорного слоя в дифференциальной линии передачи Данная глава не имеет прямого отношения к разводке цепей печатной платы и целостности сигналов. Но имеет непосредственное отношение к работе интерфейсов. Поэтому может быть полезна Hi Speed Engineer при решении практических задач. Физика работы дифференциального интерфейса показывает на отсутствие необходимости соединения земель двух сопрягаемых устройств. Здесь важно не ошибиться и обратить внимание на схемотехнику передатчиков, приемников. Всегда выполняйте требования стандартов. Если выходной каскад передатчика предполагает передачу синфазного опорного уровня, земляной проводник между двумя устройствами должен быть установлен обязательно. Если выходной каскад передатчика нагружен на обмотку изолирующего трансформатора, земляной провод не нужен, но при установке позволит улучшить помехоустойчивость линии передачи. Земляной проводник, заземленный со стороны одного устройства и не подключенный к другому устройству, может стать эффективной антенной, на концах которой потенциалы при воздействии внешней помехи выйдут за допустимый диапазон синфазных напряжений. Это приведет к повреждению одного из устройств. Моя рекомендация – делайте опорный слой и применяйте земляной проводник или экранирующую оплетку кабеля всегда, когда это возможно. Это точно не ухудшит работу дифференциального интерфейса, но повысит его помехоустойчивость. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=43619263&lfrom=390579938) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.