Estrategias y malentendidos sobre el diseño de PCB de alta velocidad

En lo que respecta a los sistemas electrónicos de alta velocidad, el éxito del diseño de la placa de circuito impreso conduce directamente a la resolución de problemas en el sistema de compatibilidad electromagnética (EMC) tanto en la teoría como en la práctica. Para alcanzar el estándar EMC, el diseño de PCB de alta velocidad enfrenta grandes desafíos, por lo que los diseñadores de PCB de alta velocidad deben abandonar la filosofía y los enfoques de diseño tradicionales en su proceso de diseño. Este pasaje analiza principalmente los malentendidos y las estrategias en el proceso de diseño de PCB de alta velocidad desde la perspectiva de la práctica.

Constante dieléctrica del material de PCB de alta velocidad

Hasta el momento, existen principalmente tres técnicas de diseño en términos de diseño de PCB de alta velocidad:técnica de diseño de gráficos de PCB con ruido y retardo, técnica de control de tiempo de retardo de propagación e impedancia y técnica de evaluación con impedancia de PCB como parámetros entre los que se encuentran los dos últimos tipos de técnicas. son el corazón de la fabricación de PCB. También hay muchas técnicas en transmisiones de fabricación de PCB de alta velocidad y las estructuras básicas de uso común son microstrip y strip line. En cuanto a las líneas de transmisión de PCB de alta velocidad, Z₀ ese es el parámetro de impedancia y t_pd es decir, el tiempo de retardo de propagación son las variables más importantes. En realidad, si la estructura de microstrip es diferente a la de strip line, la fórmula de cálculo también será diferente. Sin embargo, en cualquier caso, la impedancia es siempre la estructura geométrica de la línea de transmisión. En la mayoría de las situaciones, la constante dieléctrica de parte del material de PCB está influenciada por la frecuencia, la tasa de absorción de agua del área, la temperatura y las características eléctricas. Para PCB de dos capas o de múltiples capas, su constante dieléctrica está influenciada por la proporción de resina y silicio en el material de PCB.

Hoy en día, el material de PCB más utilizado es el FR4. Por lo general, los proveedores de materiales de PCB indican los valores de la constante dieléctrica en función de los técnicos del proyecto que utilizarán el material. En las aplicaciones prácticas, los parámetros de valor generalmente se obtienen en la situación de 1 MHz, mientras que en situaciones de alta velocidad, la constante dieléctrica tiene cambios evidentes, como se muestra en la Figura 1.

Las tres curvas de la Figura 1 se refieren a las diferentes proporciones de silicio y resina. Entre las tres curvas, la curva A es la más alta, la B media y la C la más baja. Una vez que los operadores no notan la diferencia, puede ocurrir una gran desviación entre los cálculos o el resultado de la simulación y las situaciones prácticas sobre la impedancia y el tiempo de retardo de propagación, lo que tendrá un efecto en el diseño de integridad de la señal del sistema de alta velocidad.

Problema de esquina de 90°

Se debe evitar la esquina de 90° en el enrutamiento de PCB en la mayoría de los documentos porque posiblemente provocará discontinuidad de impedancia y radiación de interferencia electromagnética (EMI). Desde la perspectiva de la teoría, el cambio de ancho de la esquina de 90 ° es comparativamente grande, lo que da como resultado una gran impedancia y una grave discontinuidad de impedancia. Desde la perspectiva de la práctica, el poder electromagnético tiende a acumularse en la esquina del enrutamiento y cuanto más puntiaguda es la esquina, más poder se acumula. Según el análisis anterior, la radiación EMI se convierte en la que más sobresale en la esquina de 90°.

Pero algunos investigadores encuentran que la influencia de la esquina de 90° en la impedancia está dentro del 10%. Para el ancho de enrutamiento de 6mil, si se convierte en una longitud clave, estará en el rango de THz. Por lo tanto, se puede estimar que la esquina de 90° definitivamente conducirá a una discontinuidad de impedancia en las situaciones prácticas.

Por lo tanto, en el enrutamiento práctico de PCB, al menos dentro del rango de GHz, es innecesario evitar la esquina de 90° a un costo.

Principios 20-H

Desde la aparición de los principios 20-H por KNG, se ha aceptado como el principio principal para el diseño de PCB de alta velocidad. Incluso algunos investigadores indican que este principio es capaz de ayudar a que la densidad electromagnética ambiental en las capas de PCB correspondientes disminuya en aproximadamente un 70%. Además, también juega un papel efectivo en la reducción de la radiación EMI hacia el exterior. Sin embargo, muchos experimentos no cumplen con las expectativas de los investigadores.

Algunos experimentos indican que para las PCB de dos capas, el principio 20-H conduce a una radiación más grave, mientras que para las PCB multicapa, la utilización del principio 20-H en la capa intermedia interna no produce una mejora evidente.

Parámetros de capacitancia de filtrado

La capacitancia de filtrado es una medida efectiva y económica probada que se utiliza para resolver el problema de EMC en el sistema electrónico. Sin embargo, el sistema electrónico de alta velocidad genera nuevos requisitos para el rendimiento y el diseño aplicable de la capacitancia de filtrado. El módulo simplificado de capacitancia de filtrado se muestra en la Figura 2.

Tiene que cumplir con el siguiente requisito:Z_C S // Z_L (Z_C =1/2πfC). Un malentendido común indica que mientras Z_C es menor que Z_L , se puede lograr el propósito de filtrar la capacitancia. De hecho, los parámetros de capacitancia de filtrado no se pueden determinar a menos que los valores de Z_S y Z_L están decididos.

Sin embargo, en circuito de alta velocidad, ni Z_S ni Z_L es pura resistencia, necesitada de valores complejos. Mientras tanto, Z_C no es capacitancia pura en el circuito de alta velocidad y se deben tener en cuenta tanto la resistencia en serie equivalente como la inductancia en serie equivalente. Todas estas son todas las dificultades en la aplicación de la capacitancia de filtrado en el sistema electrónico de alta velocidad. Una vez que los diseñadores ignoren estos aspectos, se producirán diferencias obvias entre los cálculos o el resultado de la simulación y la práctica.

Embalaje de silicona

Los diseñadores de PCB tienden a prestar más atención al diseño de la PCB y las interconexiones entre los componentes de las PCB e ignoran la importancia del empaque de los componentes. De hecho, esto posiblemente producirá resultados serios en el diseño de PCB de alta velocidad. El empaque de silicio tiene influencia en el rendimiento del silicio a través de la inductancia parásita, la resistencia parásita y la capacitancia parásita que pasan a través de las líneas de conexión y el cable. Estos parámetros generarán ruido, retardo de comunicación, tasa de borde y respuesta de frecuencia. Los parámetros parásitos de diferentes envases posiblemente difieran mucho. Para el silicio con el mismo circuito y diferente empaque, sus actuaciones muestran diferentes características.

De hecho, para el sistema electrónico de alta velocidad, el diseño de silicio, el diseño de empaque y el diseño a nivel de placa nunca son independientes entre sí. Para el flujo de diseño en silicio, se debe recoger un paquete adecuado de acuerdo con PCB. El diseño general del diseño de silicio está influenciado tanto por las técnicas como por los elementos del nivel de la placa. Para el empaque de silicona, su emparejamiento con PCB es un elemento a considerar. Lo que es más importante, un paquete adecuado es de gran ayuda en términos de integridad del nivel de placa y problemas de EMC/EMI. Por lo tanto, los envases de silicona nunca deben ignorarse ni despreciarse.

Interferencia de radiación actual en modo común

En los cables de transmisión de señales de PCB, existe una corriente de modo diferencial que transmite señales útiles y una corriente de modo común sin información útil, las cuales generan radiación EMI.

Debido a su corriente relativamente alta, los diseñadores de circuitos han enfatizado la corriente de modo diferencial con la formación de teorías y técnicas que controlan la radiación EMI de corriente de modo diferencial. Como resultado, algunas herramientas EDA tienen funciones de simulación y predicción de radiación EMI actual en modo diferencial. Sin embargo, en comparación con la corriente de modo diferencial, la corriente de modo común es mucho menor, lo que lleva fácilmente a que los diseñadores ignoren la radiación EMI de corriente de modo común.

No obstante, según investigaciones recientes, aunque la corriente de modo común es mucho menor que la corriente de modo diferencial, la interferencia de radiación EMI generada por la primera es mucho mayor que la de la segunda. Hasta ahora, la radiación EMI de corriente de modo común se ha convertido en una de las principales fuentes de radiación de interferencia en las placas de circuito avanzadas de alta velocidad. Lo que es peor, la generación de radiación EMI actual de modo común ha visto razones complicadas y no se puede lograr ni la simulación ni la predicción. Además, la investigación sobre el control de la radiación EMI actual en modo común aún está en marcha.

Por lo tanto, cuando se diseña una PCB de alta velocidad, no es confiable simular y predecir la radiación EMI basándose únicamente en la radiación EMI actual de modo diferencial.

Recursos útiles
• Consejos de diseño de alta velocidad
• Técnicas de enrutamiento de PCB de alta velocidad para reducir la influencia de EMI
• Investigación sobre el diseño de PCB de alta velocidad en el sistema de aplicaciones integradas
• Procesamiento isométrico diferencial y verificación de simulación del diseño de PCB de alta velocidad
• Cómo diseñar planos de imagen para PCB de alta velocidad
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