Diseño de PCB de Alta Velocidad

Directrices para el diseño de PCB de alta velocidad

En el diseño de PCB, generalmente se considera que si la frecuencia del circuito lógico digital alcanza o supera los 45MHZ~50MHZ, y el circuito que funciona por encima de esta frecuencia ya ha ocupado una cierta cantidad (por ejemplo, 1/3) de todo el sistema electrónico, entonces se denomina circuito de alta velocidad.

El diseño de PCB de alta velocidad se desarrolla con mejoras a gran escala en la complejidad del diseño del sistema y la integración, porque cuando el sistema está funcionando a 50MHz, se producirán efectos de línea de transmisión y problemas de integridad de la señal, y cuando el sistema está funcionando hasta 120MHz a menos que se utilice la alta velocidad. Conocimiento de diseño de circuitos, de lo contrario el PCB basado en el diseño del método tradicional no funcionará. Por lo tanto, la tecnología de diseño de circuitos de alta velocidad se ha convertido en un método de diseño que los diseñadores de sistemas electrónicos deben adoptar.

Diseño de PCB de alta velocidad en Hitech Circuits

El diseño de placas de circuito impreso de alta velocidad es un proceso de equilibrio entre los requisitos de diseño de circuitos, las tecnologías de dispositivos y los materiales y metodologías de fabricación, para ofrecer una PCB que pueda transferir señales entre los componentes con integridad.

Tras muchos años de investigación y práctica, Hitech Circuits puede cumplir perfectamente los requisitos del diseño de PCB de alta velocidad. Podemos proporcionarle un diseño de PCB rápido y de alta calidad para alta velocidad, alta densidad, híbrido digital-analógico, y diseño de PCB de nuevos procesos y nuevas tecnologías (como placas flexibles, PCB HDI, agujeros ciegos enterrados, etc.). Contamos con un grupo de ingenieros de diseño de PCB de alta calidad en Shenzhen. Tenemos una gran experiencia en el diseño de PCB de placas de circuito multicapa de alta velocidad de clase portadora. Consideramos exhaustivamente los requisitos de temporización, stripline y microstrip, esquema de adaptación de señal, calidad de señal, topología de trazado de señal, desacoplamiento de tierra de potencia, control de impedancia de señal de retorno de corriente de retorno de señal de alta velocidad y control de apilamiento, análisis de política EMC/EMI de placa única, vía ciega y vía enterrada y así sucesivamente, y desde la perspectiva de diseño de PCB de alta velocidad, utilizamos nuestra experiencia para optimizar su diseño esquemático para que la calidad inherente de su placa sea mayor y el funcionamiento sea más estable.

¿Su diseño de PCB es de alta velocidad?

Cada vez más placas de circuito impreso combinan múltiples circuitos. Su PCB no tiene por qué funcionar a gigahercios para ser de alta velocidad y, además, tecnologías como la IoT y los controladores domésticos inteligentes están creciendo exponencialmente.

Incluso el uso de componentes estándar como SDRAM DDR3, DDR4 o DDR5 implica seguir unas directrices de diseño de PCB de alta velocidad. Es necesario limitar el diseño de la PCB para lograr una integridad de la señal de primera clase, para que funcione correctamente, pero también para que el producto sea lo mejor posible.

eCADSTAR no es la única solución que permite hacerlo. La diferencia radica en la forma en que todo está integrado, no es una idea de última hora, y en su capacidad inigualable para trabajar con los complejos detalles que necesita para un diseño ultra crítico.

Pero antes de entrar en detalles, ¿qué restricciones clave de alta velocidad necesita?

El diseño de PCB de alta velocidad es un proceso muy complejo. Hay que tener en cuenta muchos factores en el diseño. A veces, estos factores son opuestos entre sí. Por ejemplo, si el dispositivo de alta velocidad se coloca cerca del diseño, puede reducirse el retardo, pero pueden producirse diafonías e importantes efectos térmicos. Por tanto, en el diseño, sopesamos los distintos factores y hacemos una consideración de compensación exhaustiva: no sólo cumplir los requisitos de diseño de PCB de alta velocidad, sino también reducir la complejidad del diseño. Nuestra adopción de herramientas de diseño de PCB de alta velocidad constituye la controlabilidad del proceso de diseño. Sólo controlable, es fiable, tendrá éxito.

Elementos a tener en cuenta

El proceso de enrutamiento de una placa con señales de alta velocidad requiere que usted gestione:

Los componentes de terminación que pueden ser necesarios

La definición de las señales que necesitan que se les apliquen reglas de diseño de alta velocidad

Las dimensiones mecánicas de las rutas - para el enrutamiento de impedancia controlada

Las propiedades y dimensiones de los materiales de la placa

La cantidad y disposición de las capas en la pila de capas.

La ruta de retorno de cada señal de alta velocidad

El impacto y la configuración de las vías

La configuración y el encaminamiento de los pares diferenciales

Configuración y control de las longitudes de las rutas

Análisis de integridad de la señal antes y después del diseño

En las primeras fases del proceso de diseño, es importante identificar las señales que podrían requerir una adaptación de impedancias para poder incluir componentes de terminación adicionales antes de completar el proceso de colocación de componentes. Dado que los pines de salida suelen ser de baja impedancia y los pines de entrada suelen ser de alta impedancia, puede ser necesario añadir componentes de terminación al diseño para lograr la adaptación de impedancias.

Hitech Circuits incluye un simulador de integridad de la señal al que se puede acceder durante las fases de captura del diseño y de diseño de la placa del proceso de diseño, lo que permite realizar análisis de integridad de la señal antes y después del diseño (Herramientas " Integridad de la señal). El simulador de integridad de la señal modela el comportamiento de la placa enrutada utilizando la impedancia característica calculada de las trazas combinada con la información del macromodelo del búfer de E/S como entrada para las simulaciones. El simulador se basa en un Simulador Rápido de Reflexión y Diafonía, que produce simulaciones muy precisas utilizando algoritmos probados en la industria.

Dado que tanto la captura del diseño como el diseño de la placa utilizan un sistema de componentes integrado que vincula los símbolos esquemáticos con las huellas de PCB pertinentes, los modelos de simulación SPICE y los macromodelos de integridad de la señal, el análisis de integridad de la señal puede ejecutarse en la fase de captura esquemática antes de crear el diseño de la placa. Cuando no hay diseño de placa, la herramienta permite configurar las características físicas del diseño, como la impedancia de traza característica deseada, desde el simulador de integridad de la señal. En esta fase previa al diseño, el simulador de integridad de la señal no puede determinar la longitud real de determinadas conexiones, por lo que utiliza una longitud de conexión media definible por el usuario para realizar sus cálculos de líneas de transmisión. Eligiendo cuidadosamente esta longitud por defecto para reflejar las dimensiones de la placa prevista, se puede obtener una imagen bastante precisa del rendimiento probable de la integridad de la señal del diseño.

Las redes con problemas potenciales de reflexión pueden ser identificadas y cualquier componente adicional de terminación puede ser añadido al esquema antes de proceder al diseño de la placa. Los valores de estos componentes pueden ajustarse una vez realizado el análisis de integridad de la señal posterior al diseño.

Definición de las señales de alta velocidad

El diseño de alta velocidad es el arte de gestionar el flujo de energía de un punto a otro de una placa de circuito. Como diseñador, tienes que ser capaz de centrar tu atención y aplicar las restricciones de diseño en una señal que viaja desde este punto de la placa hasta aquel punto de la placa. Sin embargo, esta señal en la que te estás centrando no es necesariamente una única red de PCB. La señal podría ser una rama de A0 en un diseño que pretendes enrutar en una topología de rama en T, con la otra rama de A0 siendo otra señal en la que necesitas centrar tu atención también, y ser capaz de comparar las longitudes de ruta de estas dos señales. O la señal puede incluir un componente de terminación en serie en su ruta (que el editor PCB ve como un componente y dos redes PCB), y si esa señal está en un par diferencial, su longitud necesita ser comparada con la longitud de la otra señal en ese par.

Puede gestionar estos requisitos utilizando una función conocida como xSignals, donde una xSignal es esencialmente una ruta de señal definida por el usuario. Selecciona el pad de origen y el pad de destino (en el área de trabajo o en el panel PCB) y haz clic con el botón derecho del ratón en cualquiera de ellos para definir esa ruta de señal como una xSignal. Además de definir interactivamente una xSignal mediante sus pads de inicio y fin, también puedes ejecutar el asistente inteligente de xSignals, cuya heurística te ayudará a configurar rápidamente un gran número de xSignals entre los componentes elegidos. A continuación, estas xSignals pueden utilizarse para orientar las reglas de diseño a sus señales de alta velocidad. El software comprende la estructura de estas xSignals; por ejemplo, calcula la longitud total de múltiples redes conectadas a través de un componente de terminación, así como la distancia a través de ese componente de terminación.

El panel PCB incluye un modo xSignal que se utiliza para examinar y gestionar las xSignals. El panel también proporciona información sobre la longitud de la señal, resaltando las xSignals que están cerca de cumplir (amarillo) o que no cumplen (rojo) las restricciones de diseño aplicables. En la imagen inferior, las longitudes de las señales x del par diferencial CLK1 difieren en más de lo permitido por la regla de diseño Matched Length aplicable. El panel incluye la Longitud de Señal, que es una longitud exacta punto a punto. Las inconsistencias de longitud tradicionales, como las pistas dentro de los pads y los segmentos de pista apilados, se resuelven, y se utilizan distancias de tramo de vía precisas para calcular la Longitud de Señal.

¿Cómo diseñar una PCB de alta velocidad?

No hace tanto tiempo que la palabra "alta velocidad" no existía en el vocabulario de los diseñadores de PCB. Si pensamos, por ejemplo, en los años 90 y 00, las velocidades que se utilizaban eran mucho más lentas. En 2005, 3 Gbps se consideraba la velocidad de datos de alta velocidad típica, pero hoy en día los ingenieros se enfrentan a 10 Gbps, o incluso 25 Gbps.

No hace tanto tiempo que la palabra "alta velocidad" no existía en el vocabulario de los diseñadores de PCB pensando, por ejemplo, en los años 90 y 00, las velocidades que utilizaban eran mucho más lentas. En 2005, 3 Gbps se consideraba la velocidad de datos de alta velocidad típica, pero hoy en día los ingenieros se enfrentan a 10 Gbps, o incluso 25 Gbps. En el pasado, la preocupación se centraba en encajar las piezas del rompecabezas y elaborar estrategias para el diseño de una placa física. Pero, ¿qué hay de un diseño de alta velocidad? Ahora hay un montón de fuerzas invisibles de las que preocuparse, cosas como las interferencias electromagnéticas (EMI), la diafonía, la reflexión de la señal, el tejido del material de la PCB y la lista sigue y sigue. A continuación te ofrecemos un par de consejos de diseño que debes tener en cuenta a la hora de diseñar una PCB de alta velocidad.

Comience su proceso de diseño de alta velocidad con un plan

Sin un plan y una estrategia para tu proyecto de diseño de alta velocidad, lo más probable es que te encuentres con contratiempos y problemas inesperados. Por eso, antes incluso de colocar un símbolo o conectar una red, necesita tener a mano algún tipo de lista de comprobación de lo que puede esperar y de lo que desea como producto final.

Documente todos los detalles del montaje de la placa para la fabricación

Es importante que dedique el tiempo suficiente a definir y documentar a fondo los requisitos de apilamiento de capas. Este es el momento perfecto para reunirse con su fabricante y determinar qué materiales o especificaciones IPC debe utilizar para su placa y qué reglas de diseño específicas debe seguir. Tenemos muchos clientes a los que ayudamos al principio de un proyecto para guiarles por el camino correcto, de modo que tengan el mejor punto de partida para una PCB que pueda producirse habiendo pensado en los factores de coste y calidad. IPC-4103 especifica los materiales para PCB de alta velocidad.

Aplicaciones de alta frecuencia. Debajo algunos ejemplos:

FR-4

Este es un gran material cuando se trabaja con velocidades de reloj de < 5Gbps y se clasifica como un material de baja velocidad. FR-4 tiene una capacidad decente para controlar la impedancia y también es conocido por su bajo coste en función de sus características.

Nelco, SI o Megtron

En el ámbito del diseño de alta velocidad, es probable que trabaje con estos materiales. Cada uno de ellos es adecuado para velocidades de reloj de 5-25 Gbps. Además, el precio y los plazos de entrega son mucho mejores si los comparas con el material Rogers.

Rogers

Si su primer diseño de alta velocidad es de 56 Gbps, lo más probable es que acabe utilizando un laminado Rogers. Se trata de un material de alta frecuencia y alta temperatura conocido por su buena consistencia de impedancia, pero también es caro de producir y tiene largos plazos de entrega.

Adapte su impedancia

La adaptación de impedancias significa que cuando se transmite energía, la impedancia de carga debe ser igual a la impedancia característica de la línea de transmisión. En ese momento, no hay reflexión en la transmisión, lo que indica que toda la energía es absorbida por la carga. Por el contrario, hay pérdida de energía en la transmisión. En el diseño de PCB de alta velocidad, la adaptación de la impedancia está relacionada con la calidad de la señal.

¿Cuándo hay que hacer adaptación de impedancias?

No hay que fijarse principalmente en la frecuencia, sino en la pendiente del borde de la señal, es decir, el tiempo de subida/caída de la señal. En general, se considera que si el tiempo de subida/caída de la señal (entre el 10% y el 90%) es inferior a 6 veces el retardo del cable, es de alta velocidad. Las señales deben prestar atención al problema de la adaptación de impedancias. El retardo del cable suele ser de 150 ps/pulgada o ps/mm.

Impedancia característica

Durante la propagación de una señal a lo largo de una línea de transmisión, si existe una velocidad de propagación de la señal constante en todas partes de la línea de transmisión, y la capacitancia por unidad de longitud es la misma, entonces la señal siempre ve una impedancia instantánea completamente constante durante el proceso de propagación. Dado que la impedancia permanece constante en toda la línea de transmisión, damos un nombre específico para indicar esta característica o característica de una línea de transmisión específica, y la llamamos impedancia característica de la línea de transmisión. La impedancia característica se refiere al valor instantáneo de la impedancia cuando la señal se ve a lo largo de la línea de transmisión. La impedancia característica está relacionada con la capa de la placa en la que se encuentran los conductores de la PCB, el material (constante dieléctrica) utilizado por la PCB, la anchura de la traza y la distancia entre el conductor y el plano, y no tiene nada que ver con la longitud de la traza. La impedancia característica puede calcularse utilizando software como speed stack y Si9000. En el diseño de PCB de alta velocidad, la impedancia de traza de una señal digital suele diseñarse para que sea de 50 ohmios, que es una cifra aproximada. Generalmente, la banda base del cable coaxial es de 50 ohmios, la banda de frecuencia es de 75 ohmios y el par trenzado (diferencial) es de 100 ohmios.

Por supuesto, hay muchas otras cosas en las que pensar a la hora de diseñar una PCB de alta velocidad. No dude en ponerse en contacto con Hitech Circuits para cualquier consulta técnica.

Conclusión

Aunque no es posible derivar un conjunto universal de reglas aplicables a todos los diseños de PCB de alta velocidad, sí es posible seguir unas buenas prácticas de diseño que le ayudarán a tener éxito con su diseño de alta velocidad. Hay varios expertos del sector que imparten cursos de formación prácticos y populares sobre diseño de alta velocidad. Utilice los siguientes enlaces para obtener más información e investigar opciones de formación especializada.