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高性能PCB系统设计和分析指南

现代PCB中的密集走线布线

您可以使用正确的设计工具来创建密集,高性能的PCB

新设计将信号传输速度和噪声容限推到了极限,设计师需要使自己意识到所有可用的工具,以正确地设计其电路板以实现高性能。以特定的信号完整性和功率完整性问题(例如振铃,串扰和抖动),以大约ns的切换速度以相对中等的数据速率运行的系统是众所周知的,但是高性能PCB系统将这些潜在的性能问题提升到了一个新的水平。设计高性能PCB系统不仅涉及原理图设计和工程,而且涉及创建稳定的布局。

当您查看移动/ IoT空间,数据中心环境,航空电子设备以及5G和自动驾驶汽车等即将出现的领域时,您会在这些领域发现许多相似之处。电源完整性是高性能PCB系统设计中的重要问题,因为电源不稳定性会影响信号的不稳定性。同样,随着数据速率增加到Gbps级别,数字信号的上升/下降时间减少到ps级别,信号完整性问题始终变得更加突出。此外,许多高级系统是混合信号设备,并且您的堆栈,布局和布线设计成为提高性能的关键方面。

虽然原理图设计对于定义电路板的功能很重要,但从电源和信号完整性的角度来看,布局将决定电路板性能的一些最重要方面。这需要适当的布线和叠层设计技术,以确保完成的布局与原理图中的功能匹配。当您有权使用一整套布线,堆叠设计和布局后分析工具时,就可以设计和验证高性能PCB系统。

高性能PCB系统设计

高性能PCB系统设计的关键在于确保您的PCB在六个关键领域达到或超过公差:

  • 电源完整性:您需要确保稳定的电源并抑制整个PCB的噪声。电源的+5 V输出到达VCC引脚时应保持在+5 V,并且当组件汲取电流浪涌时不应偏离该值。

  • 信号完整性:沿传输线发送的任何+5 V信号在接收器处应显示为+5V。您还需要使用正确的时钟恢复和通道补偿技术来恢复信号,尤其是在使用多级信令方案时。

  • 参考平面和返回路径管理:当板以更高的边沿速率和/或更高的频率运行时,需要仔细管理板中的返回路径以防止干扰。这在混合信号板上尤为重要,因为需要防止模拟部分与数字部分之间的干扰。

  • EMI控制:您应该采取许多步骤来减少板内和板外的辐射和传导EMI。同样,如果要通过EMC测试,则可能需要采取其他措施将EMI限制在产品包装内。

  • 热管理:即使在低至约1 V的组件中运行,更快的数据速率和更高的频率也会在满量程运行期间散发大量热量。在这里,您需要考虑一种散热管理策略,以使电路板温度保持在安全的工作范围内。这可能涉及主动和被动热管理技术的混合,具体取决于要部署电路板的环境。

  • 路由和堆栈设计:与上述五个领域有关。布线和堆叠在高级PCB系统中齐头并进,因为它们对于整个电路板的阻抗控制和串扰抑制至关重要。同样,在低级别运行的电路板上,堆栈是电源完整性的主要决定因素。

 

高性能PCB系统通常被设计为多板系统,以适合其外壳。这些系统可以以背板配置(在数据中心中),母板/子板(在高性能计算中)或多个柔性/刚性-柔性板的复杂布置来设计。在多面板环境中工作时,上述所有区域都会变得更加复杂。其中最主要的是信号完整性,返回路径管理和EMI控制,它们会在电路板内部和外部产生复杂的辐射发射行为。

 

3D多板高性能PCB系统设计

Allegro PCB Designer中的高性能多板系统

高性能PCB设计注意事项

高性能PCB系统中电源完整性,信号完整性,EMI,叠层设计和布线之间的复杂关系需要您特别注意您的布局。较差的布局可以让您诊断潜在的信号噪声源和电源问题,这些问题可以通过正确的设计选择来解决。错误的布局选择会加剧EMI和噪声问题,这在较低速度/较低频率的系统中是不明显的。开始设计您的下一个高性能PCB的地方就是您的堆叠,因为这将决定您随后的阻抗控制,噪声抑制和布线策略。

一旦收到第一批原型,就需要对其进行一系列测试,以确保它们符合您的高性能标准。如果要消除对高级器件的一些原型设计和鉴定运行,那么在构建高性能PCB系统时,请考虑以下几点。

高性能PCB的PCB叠层

尽管上面的列表中最后提到了层叠设计,但它应该是您开始创建设计的第一位。然后,您的堆栈将确定您的路由和返回路径策略。对于以亚ns信号上升时间工作的Gbps板,您很可能会在多个信号通道中使用阻抗控制的差分对布线。在这种环境下,电流消耗可能非常大,但是正确的堆叠将有助于确保电路板运行时的电源稳定性。电流消耗还会导致电路板的PDN中产生瞬态响应,这可能会增加驱动器输出中的时序抖动/​​相位噪声以及时钟抖动。

为了控制电路板中的损耗,可能需要使用高k或低k电介质的替代基板材料。理想的叠层将使用具有高介电常数(实数部分)和非常低的损耗角正切的材料,因为这将提供更高的平面间电容以实现电源完整性和更低的信号损耗。不幸的是,像大多数工程设计决策一样,您将无法在每个电路板和每个带宽上同时满足这两个要求。在这里,布局后和寄生提取仿真对于确保信号不会由于介电损耗和色散而变得过分劣化至关重要。

 

 高性能PCB的层堆叠

Allegro PCB Designer中高性能PCB系统的示例层堆叠

阻抗控制的传输线路由

尽管以较低速度和较低频率运行的设备不会产生明显的影响,但所有迹线的行为都将类似于传输线。当您使用高性能PCB系统时,情况并非如此。要防止互连中的信号反射,需要对整个互连进行仔细的阻抗控制。由于高性能PCB使用先进的多电平信号和调制方案,因此在低信号电平下的阻抗控制甚至具有更严格的容差。

具有高性能信令标准和调制功能的高性能PCB通常使用差分对来路由信号,这需要精确的耦合和长度匹配以消除偏斜并抑制信号通道中的共模噪声。您的叠层将部分确定需要使用的走线尺寸,以确保整个互连中的阻抗一致。这也将确定驱动程序在输出电平之间切换时出现的振铃级别。迹线也应在尽可能短的路径上走线,以防止信号失真和传播过程中的累积损耗。

 

刚性,刚性-柔性和柔性PCB中的HDI布线

更高级的板卡,尤其是在数据中心和移动环境中的板卡,需要以越来越小的占位空间容纳具有高数据速率的多个通道。在这里,您需要在HDI设计中使用受控阻抗布线,以使系统适合所需的封装。在移动空间中,较新的手机仅使用刚挠性或挠性PCB,以便为更大的电池腾出更多空间。

在不增加移动设备占用空间的情况下为所有必需的组件腾出空间,迫使更多的设计师在HDI机制下工作。这涉及使用盲孔和掩埋通孔在层之间和层数更薄的更高层数之间移动,所有这些都可能放置在多个全柔性PCB上。使用HDI板上的差分对,布局后仿真对于确保在整个互连长度范围内进行精确耦合和阻抗控制变得更加重要。

刚柔设计和建模)

3DWorkbench中的高性能刚柔PCB设计

 

EMI抑制与屏蔽

外形小巧的高性能PCB不仅需要法拉第笼屏蔽,还需要将其限制在器件内部。电路板上的噪声可能在组件之间传导,并且可能来自多种来源,包括电源噪声,由于强烈瞬变而产生的辐射,线路不匹配时的信号谐振以及开关IC。

屏蔽罐是EMI屏蔽的穷人方法,可能并不适用于所有设备。更复杂的技术,例如通过围栏设计,利用带状线布线和堆叠设计以及消除噪声源,对于降低EMI至关重要。当涉及到高速信令标准时,由于EMI的原因,差分对也是首选的,因为与单端传输线相比,它们可抵抗共模噪声并具有显着降低的辐射。

 

PCB中的热管理

具有高晶体管密度和大电流消耗的组件将产生大量的热量,需要采用主动和/或被动的热管理策略来将组件温度保持在安全范围内。这可能涉及使用散热器,风扇或更多极端的热量管理方法来散热。替代性的基材材料(例如陶瓷)在这里起着一定的作用,因为这些基材材料的导热系数比FR4或其他高性能层压板更高。

 

水冷用于主动热管理

将主动的热管理策略踢入水冷式超速驾驶中。

 

高性能PCB的PCB设计和分析

创建高性能PCB就是要使用正确的设计工具,并在首次进行原型设计之前评估设计。仿真结果将提供基准性能指标,用于比较新板上的测试和测量结果。如果要使设计完美,则需要正确的设计工具套件来评估下一个产品的高性能PCB。

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