Projeto de PCB de Alta Velocidade

Diretrizes de Design de PCB de Alta Velocidade

No projeto de PCB, geralmente considera-se que, se a frequência do circuito lógico digital atingir ou exceder 45 MHz a 50 MHz, e o circuito que opera acima dessa frequência já tiver ocupado uma certa quantidade (por exemplo, 1/3) de todo o sistema eletrônico, ele será chamado de circuito de alta velocidade.

O design de PCB de alta velocidade é desenvolvido com melhorias em larga escala na complexidade e na integração do design do sistema, pois quando o sistema estiver operando a 50 MHz, ocorrerão efeitos na linha de transmissão e problemas de integridade do sinal, e quando o sistema estiver operando a até 120 MHz, a menos que seja usada alta velocidade. Conhecimento do projeto do circuito, caso contrário, o PCB baseado no projeto do método tradicional não funcionará. Portanto, a tecnologia de projeto de circuitos de alta velocidade se tornou um método de projeto que os projetistas de sistemas eletrônicos devem adotar.

Projeto de PCB de Alta Velocidade em Circuitos Hitech

O design de placas de circuito impresso de alta velocidade é um processo de equilíbrio entre os requisitos de design de circuitos, as tecnologias de dispositivos e os materiais e metodologias de fabricação, para fornecer uma PCB que possa transferir sinais entre os componentes com integridade.

Após muitos anos de pesquisa e prática, a Hitech Circuits pode atender bem aos requisitos de design de PCB de alta velocidade. Podemos fornecer a você um projeto de PCB rápido e de alta qualidade para alta velocidade, alta densidade, híbrido digital-analógico e projeto de PCB de novos processos e novas tecnologias (como placas flexíveis, PCB HDI, furos cegos enterrados, etc.). Temos um grupo de engenheiros de design de PCB de alta qualidade em Shenzhen. Temos uma vasta experiência em projetos de PCB de placas de circuito multicamadas de alta velocidade e classe de operadora. Consideramos de forma abrangente os requisitos de temporização, stripline e microstrip, esquema de correspondência de sinal, qualidade de sinal, topologia de traço de sinal, desacoplamento de aterramento de energia, controle de impedância de sinal de caminho de retorno de corrente de retorno de sinal de alta velocidade e controle de empilhamento, análise de política EMC/EMI de placa única, via cega e via enterrada e assim por diante, e da perspectiva do layout de PCB de alta velocidade, usamos nossa experiência para otimizar seu design esquemático para que a qualidade inerente da sua placa seja maior e a operação seja mais estável.

O layout de Sua Placa de Circuito Impresso é de Alta Velocidade?

Cada vez mais as placas de circuito impresso combinam vários circuitos. Sua placa de circuito impresso não precisa ter clock de gigahertz para ser de alta velocidade - e, além disso, tecnologias como IOT e controladores domésticos inteligentes estão crescendo exponencialmente.

Mesmo usando componentes padrão como SDRAMs DDR3, DDR4 ou DDR5, é necessário seguir as diretrizes de design de PCB de alta velocidade. Você precisa restringir o layout da PCB para obter uma integridade de sinal de primeira classe - para que funcione corretamente - mas também para que seu produto seja o melhor possível.

O eCADSTAR não é a única solução que permite que você faça isso. A diferença está na forma como tudo isso é incorporado, e não uma reflexão tardia, e em sua capacidade incomparável de trabalhar com os detalhes complexos necessários para um layout extremamente crítico.

Mas Antes de Entrarmos em Detalhes, Quais são as Principais Restrições de Alta Velocidade de Que Você Precisa?

O projeto de PCB de alta velocidade é um processo de projeto muito complexo. Muitos fatores precisam ser considerados no projeto. Às vezes, esses fatores são opostos uns aos outros. Por exemplo, se o dispositivo de alta velocidade for colocado próximo ao layout, o atraso poderá ser reduzido, mas poderá ocorrer diafonia e efeitos térmicos significativos. Portanto, no projeto, pesamos os vários fatores e fazemos uma consideração abrangente de compensação: não apenas atender aos requisitos de projeto de PCB de alta velocidade, mas também reduzir a complexidade do projeto. Nossa adoção de ferramentas de projeto de PCB de alta velocidade constitui a capacidade de controle do processo de projeto. Somente controlável, é confiável e será bem-sucedido.

Elementos a Serem Considerados

O processo de roteamento de uma placa com sinais de alta velocidade exige que você o gerencie:

Os componentes de terminação que podem ser necessários

A definição dos sinais que precisam de regras de design de alta velocidade aplicadas a eles

As dimensões mecânicas das rotas - para roteamento de impedância controlada

As propriedades e dimensões dos materiais da placa

A quantidade e a disposição das camadas na pilha de camadas

O caminho de retorno de cada sinal de alta velocidade

O impacto e a configuração das vias

A configuração e o roteamento de pares diferenciais

Configuração e controle dos comprimentos de rota

Análise da Integridade do Sinal Pré e Pós-Layout

No início do processo de design, é importante identificar os sinais que podem exigir correspondência de impedância para que os componentes de terminação adicionais possam ser incluídos antes que o processo de colocação de componentes seja concluído. Como os pinos de saída são tipicamente de baixa impedância e os pinos de entrada são tipicamente de alta impedância, os componentes de terminação podem precisar ser adicionados ao projeto para obter a correspondência de impedância.

A Hitech Circuits inclui um simulador de integridade de sinal que pode ser acessado durante as fases de captura de projeto e layout de placa do processo de projeto, permitindo que a análise de integridade de sinal pré e pós-layout seja realizada (Tools " Signal Integrity). O simulador de integridade de sinal modela o comportamento da placa roteada usando a impedância característica calculada dos traços combinada com as informações do macro-modelo do buffer de E/S como entrada para as simulações. O simulador baseia-se em um Fast Reflection and Crosstalk Simulator, que produz simulações muito precisas usando algoritmos comprovados pelo setor.

Como a captura do projeto e o design da placa usam um sistema de componentes integrado que vincula símbolos esquemáticos a pegadas de PCB relevantes, modelos de simulação SPICE e macromodelos de integridade de sinal, a análise de integridade de sinal pode ser executada no estágio de captura esquemática antes da criação do design da placa. Quando não há projeto de placa, a ferramenta permite que você configure as características físicas do projeto, como a impedância de traço característica desejada, a partir do simulador de integridade do sinal. Nesse estágio pré-layout do processo de design, o simulador de integridade de sinal não pode determinar o comprimento real de conexões específicas, portanto, ele usa um comprimento médio de conexão definido pelo usuário para fazer os cálculos da linha de transmissão. Ao escolher cuidadosamente esse comprimento padrão para refletir as dimensões da placa pretendida, você pode obter uma imagem bastante precisa do provável desempenho da integridade do sinal do projeto.

As redes com possíveis problemas de reflexão podem ser identificadas e quaisquer componentes de terminação adicionais podem ser adicionados ao esquema antes de prosseguir com o layout da placa. Os valores desses componentes podem ser ajustados ainda mais depois que a análise de integridade do sinal pós-layout for realizada.

Definição dos Sinais de Alta Velocidade

O design de alta velocidade é a arte de gerenciar o fluxo de energia de um ponto em uma placa de circuito para outro ponto. Como projetista, você precisa ser capaz de concentrar sua atenção e aplicar as restrições de projeto em um sinal que viaja deste ponto da placa para aquele ponto da placa. No entanto, esse sinal no qual você está se concentrando não é necessariamente uma única rede de PCB. O sinal pode ser uma ramificação de A0 em um projeto que você pretende rotear em uma topologia de ramificação em T, sendo que a outra ramificação de A0 é outro sinal no qual você também precisa focar sua atenção e ser capaz de comparar os comprimentos de rota desses dois sinais. Ou o sinal pode incluir um componente de terminação em série em seu caminho (que o editor de PCB vê como um componente e duas redes de PCB) e, se esse sinal estiver em um par diferencial, seu comprimento precisa ser comparado ao comprimento do outro sinal nesse par.

Você pode gerenciar esses requisitos usando um recurso conhecido como xSignals, em que um xSignal é essencialmente um caminho de sinal definido pelo usuário. Você seleciona o pad de origem e o pad de destino (no espaço de trabalho ou no painel PCB) e, em seguida, clica com o botão direito do mouse em um deles para definir esse caminho de sinal como um xSignal. Além de definir interativamente um xSignal por seus pads inicial e final, você também pode executar o assistente inteligente de xSignals, cuja heurística o ajudará a configurar rapidamente um grande número de xSignals entre os componentes escolhidos. Esses xSignals podem então ser usados para direcionar as regras de projeto para seus sinais de alta velocidade. O software compreende a estrutura desses xSignals; por exemplo, calcula o comprimento total de várias redes conectadas por meio de um componente de terminação, bem como a distância por meio desse componente de terminação.

O painel PCB inclui um modo xSignal que é usado para examinar e gerenciar os xSignals. O painel também fornece feedback sobre o comprimento do sinal, destacando os xSignals que estão próximos de atender (amarelo) ou que não atendem (vermelho) às restrições de projeto aplicáveis. Na imagem abaixo, os comprimentos do xSignal do par diferencial CLK1 são diferentes em comprimento mais do que o permitido pela regra de projeto Matched Length aplicável. O painel inclui o comprimento do sinal, que é um comprimento preciso ponto a ponto. As inconsistências tradicionais de comprimento, como trilhas dentro de pads e segmentos de trilhas empilhadas, são resolvidas, e as distâncias precisas de via span são usadas para calcular o Signal Length.

Como Projetar uma Placa de Circuito Impresso de Alta Velocidade!

Não faz muito tempo que a palavra "alta velocidade" não existia no vocabulário dos projetistas de PCBs. Pensando, por exemplo, nas décadas de 90 e 00, as velocidades usadas eram muito mais lentas. Em 2005, 3 Gbps era considerada a taxa de dados típica de alta velocidade, mas hoje os engenheiros estão lidando com 10 Gbps ou até mesmo 25 Gbps.

Não faz muito tempo que a palavra "alta velocidade" não existia no vocabulário dos projetistas de PCBs, pensando, por exemplo, nos anos 90 e 00, as velocidades que eles usavam eram muito mais lentas. Em 2005, 3 Gbps era considerada a taxa de dados típica de alta velocidade, mas hoje os engenheiros estão lidando com 10 Gbps ou até mesmo 25 Gbps. No passado, a preocupação era juntar as peças do quebra-cabeça e criar estratégias para o layout físico da placa. Mas e quanto a um projeto de alta velocidade? Agora há um monte de forças invisíveis com as quais se preocupar, como interferência eletromagnética (EMI), diafonia, reflexão de sinal, trama do material da placa de circuito impresso e a lista continua. Aqui discutiremos algumas dicas de projeto que devem ser levadas em conta quando se está projetando uma PCB de alta velocidade.

Inicie Seu Processo de Design de Alta Velocidade com Um Plano

Sem um plano e uma estratégia para seu projeto de design de alta velocidade, você provavelmente encontrará contratempos e problemas inesperados. Portanto, antes mesmo de colocar um símbolo ou conectar uma rede, você precisa ter em mãos algum tipo de lista de verificação do que pode esperar e do que deseja como produto final.

Documente cada detalhe do empilhamento da placa para a fabricação

É importante que você use tempo suficiente para definir e documentar minuciosamente os requisitos de empilhamento de camadas. Esse é o momento perfeito para se reunir com o fabricante e determinar quais materiais ou especificações IPC devem ser usados na sua placa e quais regras específicas de projeto devem ser seguidas. Temos muitos clientes que ajudamos no início de um projeto para orientá-los da maneira correta, de modo que eles tenham o melhor ponto de partida para uma PCB que possa ser produzida sem deixar de pensar nos fatores de custo e qualidade. O IPC-4103 especifica materiais para PCB de alta velocidade.

Aplicações de Alta Frequência. Abaixo, Alguns Exemplos:

FR-4

Esse é um ótimo material quando se trabalha com velocidades de clock de < 5 Gbps e é classificado como um material de baixa velocidade. O FR-4 tem uma capacidade decente de controlar a impedância e também é conhecido por seu baixo custo, dependendo de suas características.

Nelco, SI ou Megtron

No âmbito do design de alta velocidade, você provavelmente trabalhará com esses materiais. Cada um deles é adequado para velocidades de clock de 5 a 25 Gbps. Além disso, o preço e os prazos de entrega são muito melhores se você comparar com o material Rogers.

Rogers

Se o seu primeiro projeto de alta velocidade estiver chegando a 56 Gbps, você provavelmente acabará usando um laminado Rogers. Esse é um material de alta frequência e alta temperatura conhecido por sua boa consistência de impedância, mas também é caro para produzir e tem longos prazos de entrega.

Combine Sua Impedância

A correspondência de impedância significa que, quando a energia é transmitida, a impedância de carga deve ser igual à impedância característica da linha de transmissão. Nesse momento, não há reflexão na transmissão, o que indica que toda a energia é absorvida pela carga. Pelo contrário, há perda de energia na transmissão. No projeto de PCB de alta velocidade, a correspondência da impedância está relacionada à qualidade do sinal.

Quando é Necessário Fazer a Correspondência de Impedância?

Não se trata principalmente de observar a frequência, mas a chave é observar a inclinação da borda do sinal, ou seja, o tempo de subida/queda do sinal. Em geral, considera-se que, se o tempo de subida/descida do sinal (de 10% a 90%) for menor que 6 vezes o atraso do fio, ele é de alta velocidade. Os sinais devem prestar atenção ao problema da correspondência de impedância. O atraso do fio é normalmente de 150ps/polegada ou ps/mm.

Impedância Característica

Durante a propagação de um sinal ao longo de uma linha de transmissão, se houver uma velocidade de propagação de sinal consistente em toda a linha de transmissão e a capacitância por unidade de comprimento for a mesma, então o sinal sempre verá uma impedância instantânea completamente consistente durante o processo de propagação. Como a impedância permanece constante em toda a linha de transmissão, damos um nome específico para indicar essa característica ou característica de uma linha de transmissão específica e a chamamos de impedância característica da linha de transmissão. A impedância característica refere-se ao valor instantâneo da impedância quando o sinal é visto ao longo da linha de transmissão. A impedância característica está relacionada à camada da placa na qual os condutores da PCB estão localizados, ao material (constante dielétrica) usado pela PCB, à largura do traço e à distância entre o condutor e o plano, e não tem nada a ver com o comprimento do traço. A impedância característica pode ser calculada usando softwares como o speed stack e o Si9000. No layout de PCB de alta velocidade, a impedância do traço de um sinal digital geralmente é projetada para ser de 50 ohms, que é um número aproximado. Geralmente, a banda base do cabo coaxial é de 50 ohms, a banda de frequência é de 75 ohms e o par trançado (diferencial) é de 100 ohms.

É claro que há muitos outros aspectos a serem considerados quando se está projetando uma placa de circuito impresso de alta velocidade. Não hesite em entrar em contato com a Hitech Circuits para esclarecer suas dúvidas técnicas

Conclusão

Embora não seja possível derivar um conjunto universal de regras que se apliquem a todos os projetos de PCB de alta velocidade, é possível seguir boas práticas de projeto que o ajudarão a ter sucesso com seu projeto de alta velocidade. Há vários especialistas do setor que oferecem cursos de treinamento práticos e populares sobre design de alta velocidade. Use os links abaixo para saber mais e para pesquisar opções de treinamento especializado.