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高速PCB的誕生與發(fā)展

PCB線路板打樣 ? 2019-07-28 10:08 ? 次閱讀
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如前幾篇博客中所述,“高速PCB”在我們的行業(yè)中幾乎無處不在。而且,正如所引用的,我們總是說,無論最終產(chǎn)品或?qū)嵤┓桨溉绾?,憑借其中的IC技術,每個PCB都是高速的。幾年前,我們開始說重要的是元件的邊緣速率,或者更具體地說,元件邊緣和電路板之間的互連。這實際上就是我們?nèi)绾握业轿覀兊臉I(yè)務名稱Speeding Edge。它是PCB上元件互連所表現(xiàn)出的“前沿”和“高速邊緣速率”這兩個術語的融合。

值得重新審視“高速”一詞的演變意味著什么。多年來它是如何變化的。本文將討論高速PCB的歷史,當我們說PCB器件是高速時我們的真正含義以及一些不適當?shù)貞糜诟咚?a target="_blank">PCB設計過程的經(jīng)驗法則。還將討論有關高速設計原理信息的寶貴資源。

高速PCB的誕生與發(fā)展

高速PCB實際上已存在很長時間時間可以追溯到由IBM和Cray等公司設計和制造的大型計算機。但相對于PCB行業(yè)的其他部分而言,這是一個相當孤立的利基市場。對于世界其他地區(qū)而言,高速成為80年代早期關注的問題,當時TTL足夠快,路徑變長。這就是我們?nèi)绾卧?a target="_blank">信號完整性方面定義高速度;當信號路徑相對于上升時間較長時,PCB是高速的,當信號從開放端反射并導致問題時,路徑變長。

在精確數(shù)學方面,如果上升時間是一個納秒,每個3“或更長的路徑都會因為反射而失敗。注意:3“= 7.5厘米,6”= 15厘米。通過找出路徑的速度,將上升時間轉(zhuǎn)換為長度。在PCB中,這相當于每納秒6“。這是起點。并且,發(fā)生的頻率或時鐘頻率對決定沒有影響。

正如Speeding Edge總裁兼創(chuàng)始人Lee Ritchey所說:“我看到設計失敗了在“上電”復位線上。打開電源時會發(fā)生這種情況。人們會認為這是非關鍵性的,因為它并不經(jīng)常發(fā)生。世界有這種基于時鐘頻率快速判斷的習慣,這就是他們遇到麻煩的地方。 “

作為一個例子,幾年前我們麻煩了一個失敗的脈搏血氧儀。設計該產(chǎn)品的公司確定該產(chǎn)品“慢”,因為它具有1MHz的時鐘。但它不起作用,因為設計的內(nèi)存部分上升時間為350皮秒。

那么我們現(xiàn)在在哪里?我們從美光科技公司看到的最后一個存儲器組件數(shù)據(jù)表明,慢速邊緣為100皮秒,標稱邊緣為50皮秒。沒有指定快速邊緣。如果我們以納秒開始,則慢邊緣是1/10,這意味著對于慢邊緣,長度為3/10英寸的路徑可能會出現(xiàn)反射失敗。在這種情況下,沒有產(chǎn)品在時鐘頻率下也不會很快。

當他們認為產(chǎn)品設計師因為他們的最終產(chǎn)品實現(xiàn)不是“快”時,他們?nèi)匀挥龅铰闊?,這意味著產(chǎn)品速度不高。而且,人們往往會犯錯誤的地方有五個。其中包括:

不遵循信號完整性規(guī)則。這包括不控制阻抗,不使用適當?shù)慕K端并使用應用筆記作為設計指南。失敗設計的許多借口都以“我遵循應用說明,產(chǎn)品不起作用”開頭。(許多應用筆記不包含有效的信號完整性建議。)

有很多技術產(chǎn)品創(chuàng)意來自那些不了解技術

規(guī)則的人。在過去的30年里,有許多產(chǎn)品創(chuàng)意源于計算機科學工程師,他們沒有接受任何信號完整性培訓。

抓住一堆規(guī)則 - 但是,如前幾篇文章中所述,在高速設計中,最大和最大的一部分,并將它們應用于設計過程而不了解事情是如何運作的。

今天的關鍵挑戰(zhàn)是設計一個功能正常的PDS。

糟糕的規(guī)則

當涉及到高速設計考慮時,一些最大的問題源于使用沒有良好工程實踐基礎的經(jīng)驗法則。與高速PCB設計相關的三個最常見的是:

20H規(guī)則

3W規(guī)則

拼接過孔規(guī)則

20H規(guī)則

20H規(guī)則是一個一組起源于90年代初期的十幾條規(guī)則。該規(guī)則聲稱,如果您將Vdd從地平面凹陷的距離為分離的20倍或“H”(代表兩個平面之間的高度),則會降低EMI。這個規(guī)則在兩個不同的大學由構(gòu)建測試板的學生進行測試,以辨別規(guī)則的驗證。一個測試板使用Vdd構(gòu)建,地平面是齊平的,而另一個是使用20H規(guī)則構(gòu)建的。用RF發(fā)生器激勵平面對,并用近場探頭檢查以確定是否有任何EMI從邊緣逸出。所學到的第一件事是,逃逸的輻射量非常小,不會引起EMI問題。此外,當施加20H規(guī)則而Vdd和地平面是齊平時,確實逃逸的小輻射更糟。有關這些測試的論文是本文末尾的參考文獻2和3。

3W規(guī)則

此規(guī)則基于另一個任意決定,指出為了控制在同一層上路由的并行跟蹤之間的串擾,跟蹤之間的最小間距應保留3W的中心。要記住的是串擾不是跡線寬度的函數(shù)。相反,它是信號線或平行移動的軌跡之間不需要的相互作用(也稱為耦合),它是兩件事的函數(shù):

這兩者之間有多遠邊緣?

最近平面上方的跡線有多高?

確定這兩個因素的唯一方法是通過使用模擬器。這是一個非常直接的分析,需要大約兩分鐘才能完成。但是,重要的是要注意,除非您知道受害線在耦合噪聲方面能夠承受多少,否則您無法開始分析過程。

拼接過孔

正如我在關于保護痕跡(Guard Traces:Hit或Myth?)的博客中所指出的,據(jù)稱縫合過孔控制串擾并且是電磁場的屏障。通過在兩條其他跡線之間放置一條保護線,然后定期將一條通孔從跡線放到下面的地平面來實現(xiàn)拼接過孔。事實是,如果為了產(chǎn)品的運行需要使用拼接過孔,那么今天的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品 - 服務器,橋接器和路由器都不能制造出來。在機械方面,根本沒有足夠的空間來分隔這些產(chǎn)品中的數(shù)千條痕跡。

正如Lee Ritchey所說,“我發(fā)現(xiàn)每一條有效的規(guī)則都有一個直截了當?shù)淖C據(jù)。如果引用該規(guī)則的人不能提供證據(jù),你就不應該使用它?!?/p>

那種正確的信息

其中一個挑戰(zhàn)我們在行業(yè)中面臨的是各種公共領域(貿(mào)易出版物,互聯(lián)網(wǎng),“所謂的”專家的書籍)中流傳的大量不良信息。真正的挑戰(zhàn)是,在這些信息資源中,有時最終會有大量信息是正確的,但卻與非信息資源配對。困難在于辨別您可以信任的信息和您不能信任的信息。

有兩個非常好的信息論壇可用,其中包含有效的設計規(guī)則:IEEE論壇數(shù)據(jù)庫和SI-LIST反射器。 SI-List于1994年啟動,其中30名成員包括章程電子郵件列表。通過它,工程師可以發(fā)布問題,回答問題,參與辯論或聽取“喋喋不休”。

IEEE提供對出版物,會議,技術標準以及專業(yè)和教育活動的訪問,以促進工程學科的進步??梢宰鳛楣こ虒I(yè)人員或?qū)W生加入IEEE。

憑借其中的技術,今天設計的每一塊PCB都是高速的。了解高速是什么以及哪些信息構(gòu)成有效的高速設計方法將確保您創(chuàng)建的產(chǎn)品能夠在第一時間正常工作。

參考文獻

Ritchey,Lee W.和Zasio,John J.,“正確的第一次,關于高速PCB和系統(tǒng)設計的實用手冊,第1卷和第2卷?!?/p>

“20-H規(guī)則和屏蔽過孔對印刷電路板電磁輻射的影響”,IEEE學生會員Huabo Chen和IEEE部門高級會員Jiayuan Fang

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