Come progettare PCB ad alta velocità
I circuiti digitali stanno diventando sempre più veloci per soddisfare le esigenze dell’elettronica odierna. In passato, la progettazione ad alta velocità era appannaggio di una ristretta categoria di prodotti elettronici, ma oggi la maggior parte dei prodotti presenta almeno una parte del progetto classificabile come “ad alta velocità”. Questi progetti richiedono ai progettisti di PCB di realizzare il layout delle schede secondo regole e requisiti specifici per l’alta velocità, un ambito che per alcuni rappresenta ancora un territorio inesplorato. Per fornire un supporto, abbiamo raccolto alcune delle linee guida più comuni per la progettazione di PCB ad alta velocità, applicabili ai layout futuri.
In particolare, vedremo:
- Come prepararsi per il layout di PCB ad alta velocità.
- Come piazzare i componenti e sviluppare la rete di distribuzione di potenza in un progetto ad alta velocità.
- Alcuni consigli utili per il routing di PCB ad alta velocità.
Come prepararsi al layout di PCB ad alta velocità
Ecco un riassunto generale dei passi per prepararsi al layout di PCB ad alta velocità:
- Schematico: I percorsi dei segnali ad alta velocità devono essere disposti in modo sequenziale, in modo che il progettista possa replicare il posizionamento dei componenti nel layout del PCB.
- Librerie di PCB: chi si occupa delle librerie deve controllare e verificare i footprint dei componenti utilizzati nella progettazione ad alta velocità.
- Materiali e componenti: è necessario utilizzare materiali e componenti della scheda appropriati per evitare perdite eccessive dovute a substrati con Dk elevato.
- Stackup dei layer della board: la progettazione di PCB ad alta velocità richiede piani di riferimento continui per contribuire a schermare le interferenze elettromagnetiche (EMI) e favorire l’integrità del segnale.
- Regole di progettazione: è necessario definire un nuovo set di regole di progettazione per i circuiti ad alta velocità, che includa coppie differenziali, percorsi di segnale, topologie di routing, lunghezze delle tracce misurate e adattate, nonché parametri di trace tuning.
Schematico
Sebbene ci siano molti aspetti da definire prima di iniziare il layout di un progetto ad alta velocità, la maggior parte delle persone non dedica particolare attenzione allo schematico. I progettisti dovrebbero verificare i componenti, simulare i circuiti e completare il progetto. Ma lo schematico stesso è pronto per essere utilizzato nel layout? Uno schematico disorganizzato può creare difficoltà nel layout del PCB se il progettista non riesce a comprendere facilmente l’intento del circuito. I percorsi dei segnali ad alta velocità, ad esempio, devono essere disposti in modo sequenziale, in modo che il progettista possa riprodurne il piazzamento dei componenti nel layout. È inoltre utile evidenziare alcune aree del progetto, al fine di ridurre le ambiguità. Tra queste ci sono:
- Posizioni critiche di piazzamento e lato della board su cui si trovano determinati componenti.
- Zone di keepout attorno ai componenti critici.
- Informazioni sul routing ad alta velocità, comprese le topologie di routing e le lunghezze misurate/adattate.
- Informazioni sulle coppie differenziali e sull’impedenza controllata.
Librerie di PCB
Come per qualsiasi layout di PCB, i footprint dei componenti utilizzati per la progettazione ad alta velocità devono essere controllati e verificati, ma potrebbe essere necessario un ulteriore lavoro sulle librerie. Ad esempio, alcuni footprint utilizzati nei progetti ad alta frequenza o RF potrebbero richiedere modifiche per ridurre le dimensioni dei pad a beneficio dell’integrità del segnale. Come sempre, i footprint dei componenti dovrebbero seguire il più possibile le specifiche del settore e del produttore per soddisfare i requisiti di progettazione per la producibilità (DFM). Molti strumenti di progettazione, come Allegro X di Cadence, offrono funzionalità di navigazione delle librerie online per importare modelli di footprint specifici dei fornitori.
Materiali e componenti
Prima di iniziare la progettazione, è opportuno valutare attentamente i materiali utilizzati per la realizzazione dei PCB ad alta velocità. Ambienti operativi difficili potrebbero richiedere una struttura della scheda più robusta, e le caratteristiche fisiche dei materiali sono necessarie per i calcoli relativi al routing a impedenza controllata:
- Se non specificato nei documenti di progetto, consulta il tecnico elettronico o il responsabile della Signal Integrity per stabilire se la board richiede materiali ad alta velocità.
- I materiali epossidici o PTFE potenziati (caricati o non caricati) potrebbero essere più adatti alle applicazioni ad alta velocità e ad alta frequenza rispetto ai FR-4 “standard”, grazie alla loro costante dielettrica più bassa, che produce minori perdite durante la trasmissione del segnale. Come regola generale, quanto più elevate sono le velocità di trasmissione e quanto più lungo è il percorso di trasmissione, tanto più diventano necessari materiali per alta velocità con tolleranze di impedenza ristrette.
I componenti del PCB devono inoltre essere controllati e confermati tramite strumenti di verifica o da un responsabile che gestisce la libreria dei footprint. Con le attuali difficoltà della supply chain, è indispensabile assicurarsi della disponibilità dei componenti prima di procedere con il progetto.
Stackup dei layer della board
I progetti ad alta velocità richiedono layer specifici per favorire la schermatura EMI e la Signal Integrity. Alla base della Signal Integrity vi è il percorso più breve e diretto per la corrente di ritorno, che minimizza il loop di corrente e la relativa induttanza associata.
La considerazione principale è includere un piano di riferimento completo e continuo su un layer interno che fornisca un percorso libero per il segnale di ritorno e stabilisca l’impedenza corretta, in base ai parametri della struttura di impedenza definiti nello strumento di stack-up/solver di campo elettromagnetico.
Gli stackup più complessi dovranno inoltre tenere conto di molteplici strutture di via che hanno origine e terminano in punti diversi; inoltre, le differenze nell’effetto dielettrico tra le tracce sui layer esterni, circondate dall’aria su un lato, e le tracce sui layer interni, circondate dal substrato su entrambi i lati, richiederanno vincoli di progettazione diversi per ottenere gli stessi valori di impedenza.
Lo stackup della scheda deve essere costruito nel database CAD del PCB o importata da una fonte esterna; il metodo migliore consiste nel richiedere uno stackup conforme allo standard IPC-2851, che standardizza i dati di progetto con il produttore.
Regole di progettazione
I sistemi di progettazione dei PCB dispongono in genere di un set completo di regole e constraint di progettazione per la configurazione del progetto. I progetti standard di PCB utilizzano già classi di componenti e di net per specificare le regole di spacing, le larghezze delle tracce, i via e altre constraint. Con un progetto ad alta velocità, è necessario impostare un set di regole completamente nuovo, che comprenda:
- Coppie differenziali
- Topologie di routing
- Impedenza controllata e tracce con lunghezza adattata
- Delay tuning
Queste regole possono essere specifiche per ciascun progetto oppure, in molti casi, importate da un altro layout per alleggerire il carico di lavoro del progettista.
Linee guida di progettazione di PCB ad alta velocità per il piazzamento dei componenti
Il piazzamento dei componenti in un progetto ad alta velocità deve comunque seguire le stesse linee guida previste per un progetto standard. I componenti devono essere distribuiti in modo uniforme sulla board per garantire l’equilibrio, e le regole di progettazione per la produzione e il collaudo (DFM e DFT) sono fondamentali. Questo aspetto include la distanza dei componenti rispetto agli altri elementi, alle caratteristiche della board e al bordo della scheda stessa.
I componenti che generano calore necessitano di un supporto di conduzione termica aggiuntivo per il routing termico, come dissipatori di calore, via termici e ampie aree di rame, al fine di allontanare adeguatamente il calore dalla sorgente. Allo stesso tempo, un attento posizionamento dei componenti circostanti non deve limitare il flusso dei canali d’aria con i componenti vicini. I connettori e le altre parti di interfaccia utente devono trovarsi in posizioni facilmente accessibili agli utenti.
Ciò che contraddistingue la progettazione ad alta velocità è la necessità di ottenere la migliore Signal Integrity in tutto il progetto. Una parte significativa della Signal Integrity dipende dalla progettazione della scheda in modo da garantire percorsi di ritorno del segnale chiari sul piano di massa, nonché dalla separazione dei circuiti digitali e analogici, per prevenire il crosstalk generato dai tempi di salita e discesa molto più rapidi dei segnali digitali rispetto ai segnali analogici. Pertanto, oltre a piazzare i componenti in funzione del routing delle tracce di cui avranno bisogno, i progettisti devono disporre i componenti in modo da garantire percorsi di ritorno del segnale chiari e l’isolamento dei circuiti. Spesso è preferibile pianificare il layout prima di disporre i componenti effettivi sulla board, per ottenere un piazzamento accurato dei componenti. Quindi:
- Lascia spazio sufficiente per i percorsi di ritorno del segnale sui piani di riferimento.
- Prevedi uno spacing adeguato tra i canali di routing per il routing di bus dati e di memoria.
- Evita di piazzare i componenti in modo che i segnali analogici e digitali debbano attraversa le rispettive aree.
- Piazza i componenti in modo da mantenere brevi i percorsi dei segnali ad alta velocità e ridurre l’impedenza delle tracce.
- I percorsi dei segnali possono includere più componenti. Lo schema elettrico fornisce spesso una solida base per il piazzamento, ma consulta la scheda tecnica del produttore per istruzioni più specifiche.
Tecniche di routing delle tracce ad alta velocità
Una volta stabilita una disposizione adeguata dei componenti sulla board, il progetto disporrà di un modello di base su come dovrebbe procedere il routing. Tuttavia, è fondamentale tenere presente che i componenti potrebbero comunque subire ulteriori spostamenti per perfezionare e ottimizzare il routing. Ecco alcune linee guida per la progettazione di PCB relative al routing ad alta velocità che possono essere d’aiuto:
- Assicurati di applicare integralmente le regole di progettazione e i contraint relativi a lunghezze delle linee, lunghezze abbinate, larghezze, spacing, layer, parametri di routing a impedenza controllata, coppie differenziali, ottimizzazione delle tracce e assegnazione dei via.
- Imposta eventuali regole di area e zone di keepout necessarie in base alle specifiche esigenze di routing.
- Mantieni il routing il più breve e diretto possibile, salvo nel caso di topologie di routing specifiche e lunghezze misurate.
- Non tracciare su void o interruzioni del piano di ground, poiché comporta il rischio di problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI) e disadattamenti di impedenza.
- Durante il routing di segnali ad alta velocità, assicurati che dispongano di un percorso di ritorno del segnale libero sul piano di ground adiacente.
- Concedi ai segnali sensibili, come le linee di clock e le coppie differenziali, una distanza aggiuntiva rispetto alle altre tracce. Spesso una buona regola empirica è tre volte lo spessore del dielettrico tra il layer del segnale e quello di riferimento.
- Traccia le linee di trasmissione ad alta velocità sui layer loro assegnati per i percorsi di ritorno sul piano di riferimento adiacente.
- Evita di cambiare layer con le linee di trasmissione ad alta velocità, ma se necessario, aggiungi via per il percorso di ritorno per mantenere diretto il percorso della corrente di ritorno e ridurre al minimo il loop di corrente.
- Presta attenzione alle linee di trasmissione ad alta velocità che corrono in parallelo tra loro, perché potrebbero creare diafonia.
- Inoltre, presta attenzione alla diafonia laterale delle tracce a doppia striscia, che potrebbero avere uno spacing inferiore rispetto a due tracce affiancate sullo stesso layer.
- Tracce più larghe riducono l’impedenza, ma potrebbero non essere applicabili a seconda dei requisiti di progettazione.
- Per ridurre l’induttanza, riduci al minimo il numero di via oppure utilizza via blind, buried o microvia. La foratura posteriore dei through-hole via può eliminare i riflessi che compromettono l’integrità del segnale.
- Presta attenzione alle aree di via di sfogo che bloccano i percorsi di ritorno sul piano di ground.
Conclusione
Le linee guida per la progettazione di PCB ad alta velocità non si limitano a quelle elencate in questa sede, ma questo articolo rappresenta un ottimo punto di partenza per il prossimo progetto di progettazione di PCB ad alta velocità.
Oltre alle regole e ai constraint di progettazione già discussi (con ulteriori regole DFM di DesignTrue disponibili in Allegro X), gli strumenti di progettazione PCB offrono molte altre funzionalità che possono aiutare i progettisti. I software di progettazione e analisi Cadence può aiutare gli ingegneri a individuare e correggere i problemi di progettazione prima della realizzazione della board.
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