1 질문

설계 복잡성과 전자 시스템의 통합이 크게 증가함에 따라 클록 속도와 장치 상승 시간이 점점 더 빨라지고 있으며, 고속 PCB 디자인은 디자인 프로세스의 중요한 부분이 되었습니다. 고속 회로 설계에서 회로 기판 라인의 인덕턴스와 커패시턴스는 와이어를 전송 라인과 동일하게 만듭니다. 종단 구성 요소의 잘못된 레이아웃 또는 고속 신호의 잘못된 배선은 전송 라인 효과 문제를 일으켜 시스템에서 잘못된 데이터 출력, 비정상적인 회로 작동 또는 전혀 작동하지 않는 결과를 초래할 수 있습니다. 요약하면 전송 라인 모델에 따라 전송 라인은 신호 반사, 누화, 전자기 간섭, 전원 공급 장치 및 접지 노이즈와 같은 역효과를 회로 설계에 가져옵니다.

안정적으로 작동할 수 있는 고속 PCB 회로 기판을 설계하려면 레이아웃 및 라우팅 중에 발생할 수 있는 일부 신뢰할 수 없는 문제를 해결하고 제품 개발 주기를 단축하며 시장 경쟁력을 향상시킬 수 있도록 설계를 완전히 신중하게 고려해야 합니다.

고속 PCB 설계를 위한 PROTEL 설계 도구 사용 방법

2 고주파 시스템의 레이아웃 설계

회로의 PCB 설계에서 레이아웃은 중요한 링크입니다. 레이아웃의 결과는 배선 효과와 시스템의 신뢰성에 직접적인 영향을 미치며, 이는 전체 인쇄 회로 기판 설계에서 가장 시간이 많이 걸리고 어려운 부분입니다. 고주파 PCB의 복잡한 환경은 고주파 시스템의 레이아웃 설계를 학습된 이론적 지식을 사용하기 어렵게 만듭니다. 레이아웃하는 사람은 설계 과정에서 우회를 피하기 위해 고속 PCB 제조에 ​​대한 풍부한 경험이 있어야 합니다. 회로 작업의 신뢰성과 효율성을 향상시킵니다. 레이아웃 과정에서 기계적 구조, 방열, 전자파 간섭, 미래 배선의 편리성 및 미관에 대한 종합적인 고려가 이루어져야 합니다.

먼저 레이아웃 전에 전체 회로를 기능으로 나눕니다. 고주파 회로는 저주파 회로와 분리되고 아날로그 회로와 디지털 회로는 분리됩니다. 각 기능 회로는 가능한 한 칩 중앙에 가깝게 배치됩니다. 너무 긴 전선으로 인한 전송 지연을 피하고 커패시터의 감결합 효과를 개선하십시오. 또한 핀과 회로 부품 및 기타 튜브 사이의 상대 위치와 방향에 주의하여 상호 영향을 줄이십시오. 모든 고주파 구성 요소는 기생 결합을 줄이기 위해 섀시 및 기타 금속판에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.

둘째, 레이아웃 중 부품 간의 열 및 전자기 영향에 주의해야 합니다. 이러한 영향은 고주파 시스템에서 특히 심각하며 열과 차폐를 멀리하거나 격리하기 위한 조치를 취해야 합니다. 고출력 정류관 및 조정관에는 라디에이터가 장착되어 있어야 하며 변압기에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 전해 커패시터와 같은 내열 부품은 가열 부품에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 그렇지 않으면 전해질이 건조되어 저항이 증가하고 성능이 저하되어 회로의 안정성에 영향을 미칩니다. 보호 구조를 배치하고 다양한 기생 결합의 도입을 방지하기 위해 레이아웃에 충분한 공간을 남겨 두어야 합니다. 인쇄 회로 기판의 코일 사이의 전자기 결합을 방지하려면 결합 계수를 줄이기 위해 두 개의 코일을 직각으로 배치해야 합니다. 수직 판 분리 방법도 사용할 수 있습니다. 회로에 납땜할 부품의 리드를 직접 사용하는 것이 가장 좋습니다. 리드는 짧을수록 좋습니다. 인접한 납땜 탭 사이에는 분산 정전 용량과 분산 인덕턴스가 있으므로 커넥터 및 납땜 탭을 사용하지 마십시오. 수정 발진기, RIN, 아날로그 전압 및 기준 전압 신호 트레이스 주변에 고잡음 부품을 배치하지 마십시오.

마지막으로 고유한 품질과 신뢰성을 확보하면서 전체적인 아름다움을 고려하면서 합리적인 회로 기판 계획을 수행해야 합니다. 구성 요소는 보드 표면에 평행하거나 수직이어야 하고 메인 보드 가장자리에 평행하거나 수직이어야 합니다. 기판 표면의 구성 요소 분포는 가능한 한 균일해야 하며 밀도가 일정해야 합니다. 이와 같이 미려할 뿐만 아니라 조립 및 용접이 용이하고 대량생산이 용이하다.

3 고주파 시스템의 배선

고주파 회로에서 저항, 커패시턴스, 인덕턴스 및 연결 와이어의 상호 인덕턴스 분포 매개 변수는 무시할 수 없습니다. 간섭 방지의 관점에서 합리적인 배선은 회로의 라인 저항, 분산 커패시턴스 및 표유 인덕턴스를 줄이는 것입니다. , 발생하는 표유 자기장을 최소화하여 분산 정전 용량, 누설 자속, 전자기 상호 인덕턴스 및 기타 노이즈로 인한 간섭을 억제합니다.

중국에서 PROTEL 설계 도구의 적용은 매우 일반적입니다. 그러나 많은 설계자는 “광대역 속도”에만 초점을 맞추고 장치 특성의 변화에 ​​적응하기 위해 PROTEL 설계 도구에 의해 개선된 사항이 설계에 사용되지 않았습니다. 심각하기 때문에 많은 새로운 장치의 우수한 성능을 발휘하기가 어렵습니다.

다음은 PROTEL99 SE 도구가 제공할 수 있는 몇 가지 특수 기능을 소개합니다.

(1) 고주파 회로 장치의 핀 사이의 리드는 가능한 한 구부러지지 않아야 합니다. 완전한 직선을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 굽힘이 필요한 경우 45° 굽힘 또는 호를 사용할 수 있으므로 고주파 신호의 외부 방출 및 상호 간섭을 줄일 수 있습니다. 사이의 커플링. 라우팅에 PROTEL을 사용하는 경우 “Design” 메뉴의 “rules” 메뉴에서 “Routing Corners”에서 45-Degrees 또는 Rounded를 선택할 수 있습니다. Shift + 스페이스 키를 사용하여 줄 사이를 빠르게 전환할 수도 있습니다.

(2) 고주파 회로 소자의 핀 사이의 리드는 짧을수록 좋습니다.

PROTEL 99 최단 배선을 충족시키는 가장 효과적인 방법은 자동 배선 전에 개별 주요 고속 네트워크에 대한 배선 약속을 잡는 것입니다. “디자인” 메뉴의 “규칙”에 있는 “라우팅 토폴로지”

가장 짧은 것을 선택하십시오.

(3) 고주파 회로소자의 핀간 리드층의 교대는 가능한 한 작게 한다. 즉, 부품 연결 과정에서 사용되는 비아가 적을수록 좋습니다.

하나의 비아는 약 0.5pF의 분산 커패시턴스를 가져올 수 있으며 비아 수를 줄이면 속도를 크게 높일 수 있습니다.

(4) 고주파 회로 배선의 경우 신호선의 병렬 배선, 즉 크로스토크에 의해 발생하는 “교차 간섭”에 주의하십시오. 병렬 분배가 불가피한 경우 병렬 신호선의 반대쪽에 넓은 면적의 “접지”를 배치할 수 있습니다.

간섭을 크게 줄이기 위해. 같은 층의 병렬 배선은 거의 불가피하지만 인접한 두 층의 배선 방향은 서로 수직이어야 합니다. 이것은 PROTEL에서 하는 것이 어렵지 않지만 간과하기 쉽습니다. “Design” 메뉴 “rules”의 “RoutingLayers”에서 Toplayer는 Horizontal을, BottomLayer는 VerTIcal을 선택합니다. 또한 “Place”에는 “Polygonplane”이 제공됩니다.

다각형 격자 동박 표면의 기능은 다각형을 전체 인쇄 회로 기판의 표면으로 배치하고이 구리를 회로의 GND에 연결하면 고주파 간섭 방지 기능을 향상시킬 수 있습니다. 방열 및 인쇄판 강도에 대한 더 큰 이점.

(5) 특히 중요한 신호 라인 또는 로컬 유닛에 대한 접지 와이어 인클로저 조치를 구현하십시오. “Outline selectedobjects”는 “Tools”에서 제공되며 이 기능을 사용하여 선택한 중요한 신호 라인(예: 발진 회로 LT 및 X1)을 자동으로 “wrap”할 수 있습니다.

(6) 일반적으로 회로의 전원선과 접지선은 신호선보다 넓습니다. “Design” 메뉴의 “Classes”를 사용하여 네트워크를 분류할 수 있으며, 이는 전력망과 신호망으로 나뉩니다. 배선 규칙을 설정하는 것이 편리합니다. 전원선과 신호선의 선폭을 전환합니다.

(7) 다양한 종류의 배선은 루프를 형성할 수 없으며 접지선은 전류 루프를 형성할 수 없습니다. 루프 회로가 발생하면 시스템에 많은 간섭이 발생합니다. 이를 위해 데이지 체인 배선 방법을 사용할 수 있으며 배선 중 루프, 분기 또는 그루터기의 형성을 효과적으로 방지할 수 있지만 배선이 쉽지 않은 문제도 발생합니다.

(8) 다양한 칩의 데이터와 설계에 따라 전원 공급 회로에 흐르는 전류를 추정하고 필요한 와이어 폭을 결정합니다. 실험식에 따르면: W(선폭) ≥ L(mm/A) × I(A).

전류에 따라 전원선의 너비를 늘리고 루프 저항을 줄이십시오. 동시에 전력선과 접지선의 방향을 데이터 전송 방향과 일치시키도록 하면 노이즈 방지 기능이 향상됩니다. 필요시 전원선과 접지선에 동선으로 감긴 페라이트로 만든 고주파 초크 장치를 추가하여 고주파 노이즈의 전도를 차단할 수 있습니다.

(9) 동일한 네트워크의 배선 폭은 동일하게 유지해야 합니다. 선폭의 변화로 인해 선로 특성 임피던스가 고르지 않게 됩니다. 전송 속도가 높으면 반사가 발생하므로 설계 시 최대한 피해야 합니다. 동시에 평행선의 선폭을 늘립니다. 선 중심 거리가 선폭의 3배를 넘지 않을 때 상호 간섭 없이 전계의 70%를 유지할 수 있는데 이를 3W 원리라고 한다. 이러한 방식으로 병렬 라인으로 인한 분산 커패시턴스 및 분산 인덕턴스의 영향을 극복할 수 있습니다.

4 전원코드 및 접지선 설계

고주파 회로에 의해 도입되는 전원 노이즈와 라인 임피던스로 인한 전압 강하를 해결하기 위해서는 고주파 회로에서 전원 시스템의 신뢰성을 충분히 고려해야 합니다. 일반적으로 두 가지 솔루션이 있습니다. 하나는 배선에 전원 버스 기술을 사용하는 것입니다. 다른 하나는 별도의 전원 공급 장치 레이어를 사용하는 것입니다. 이에 비해 후자의 제조 공정은 더 복잡하고 비용이 더 비쌉니다. 따라서 네트워크 형 전원 버스 기술을 배선에 사용할 수 있으므로 각 구성 요소가 다른 루프에 속하고 네트워크의 각 버스에 흐르는 전류가 균형을 이루는 경향이 있어 라인 임피던스로 인한 전압 강하가 감소합니다.

고주파 전송 전력은 비교적 크고 구리의 넓은 면적을 사용할 수 있으며 다중 접지를 위해 근처에 저저항 접지면을 찾을 수 있습니다. 접지 리드의 인덕턴스는 주파수 및 길이에 비례하기 때문에 작동 주파수가 높을 때 공통 접지 임피던스가 증가하여 공통 접지 임피던스에 의해 발생하는 전자기 간섭이 증가하므로 접지선의 길이는 다음과 같습니다. 가능한 한 짧게 해야 합니다. 신호 라인의 길이를 줄이고 접지 루프의 면적을 늘리십시오.

칩의 전원 및 접지에 하나 또는 여러 개의 고주파 디커플링 커패시터를 설정하여 통합 칩의 과도 전류에 대해 가까운 고주파 채널을 제공하여 전류가 큰 루프로 전원 공급 라인을 통과하지 않도록 합니다. 따라서 외부로 방사되는 소음을 크게 감소시킵니다. 고주파 신호가 좋은 모놀리식 세라믹 커패시터를 디커플링 커패시터로 선택하십시오. 회로 충전을 위한 에너지 저장 커패시터로 전해 커패시터 대신 대용량 탄탈륨 커패시터 또는 폴리에스터 커패시터를 사용합니다. 전해 콘덴서의 분포 인덕턴스가 크기 때문에 고주파에는 무효입니다. 전해 콘덴서를 사용할 때는 고주파 특성이 좋은 감결합 콘덴서와 쌍으로 사용하십시오.

5 기타 고속 회로 설계 기법

임피던스 매칭은 최대 전력 출력을 얻기 위해 부하 임피던스와 여자 소스의 내부 임피던스가 서로 조정되는 작동 상태를 말합니다. 고속 PCB 배선의 경우 신호 반사를 방지하기 위해 회로의 임피던스는 50Ω이 필요합니다. 대략적인 수치입니다. 일반적으로 동축케이블의 기저대역은 50Ω, 주파수대역은 75Ω, 꼬임선은 100Ω으로 규정하고 있다. 매칭의 편의를 위해 정수일 뿐입니다. 특정 회로 분석에 따르면 병렬 AC 종단이 채택되고 저항과 커패시터 네트워크가 종단 임피던스로 사용됩니다. 종단 저항 R은 전송 라인 임피던스 Z0보다 작거나 같아야 하고 커패시턴스 C는 100pF보다 커야 합니다. 0.1UF 적층 세라믹 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다. 커패시터는 저주파는 차단하고 고주파는 통과시키는 기능이 있으므로 저항 R은 구동원의 DC 부하가 아니므로 이 종단 방식은 DC 전력 소모가 없다.

누화(Crosstalk)는 신호가 전송 라인에서 전파될 때 인접한 전송 라인에 전자기 결합으로 인해 발생하는 바람직하지 않은 전압 노이즈 간섭을 나타냅니다. 커플링은 용량성 커플링과 유도성 커플링으로 나뉩니다. 과도한 누화는 회로의 잘못된 트리거링을 유발하고 시스템이 정상적으로 작동하지 못하게 할 수 있습니다. 누화의 일부 특성에 따라 누화를 줄이는 몇 가지 주요 방법을 요약할 수 있습니다.

(1) 배선 간격을 늘리고 평행 길이를 줄이며 필요한 경우 조그 방식을 사용하여 배선합니다.

(2) 고속 신호 라인이 조건을 충족할 때 종단 정합을 추가하면 반사를 줄이거나 제거하여 누화를 줄일 수 있습니다.

(3) 마이크로스트립 전송 라인 및 스트립 전송 라인의 경우 트레이스 높이를 접지면 위의 범위 내로 제한하면 누화를 크게 줄일 수 있습니다.

(4) 배선 공간이 허락하는 한 더 심각한 누화가 있는 두 전선 사이에 접지선을 삽입하면 절연 역할을 하고 누화를 줄일 수 있습니다.

기존 PCB 설계에는 고속 분석 및 시뮬레이션 지침이 없기 때문에 신호 품질을 보장할 수 없으며 대부분의 문제는 판재 테스트까지 발견할 수 없습니다. 이는 설계 효율성을 크게 저하시키고 비용을 증가시키며 이는 치열한 시장 경쟁에서 분명히 불리합니다. 따라서 고속 PCB 설계를 위해 업계 사람들은 “하향식” 설계 방법이 된 새로운 설계 아이디어를 제안했습니다. 다양한 정책 분석과 최적화를 통해 발생 가능한 대부분의 문제를 피하고 많은 비용을 절감했습니다. 프로젝트 예산이 충족되고 고품질 인쇄 기판이 생산되고 지루하고 비용이 많이 드는 테스트 오류를 ​​피할 수 있는 시간입니다.

디지털 신호를 전송하기 위해 차동 라인을 사용하는 것은 고속 디지털 회로에서 신호 무결성을 파괴하는 요인을 제어하는 ​​효과적인 수단입니다. 인쇄 회로 기판의 차동 라인은 준 TEM 모드에서 작동하는 차동 마이크로파 통합 전송 라인 쌍과 동일합니다. 그 중 PCB 상단 또는 하단의 차동 라인은 마이크로 스트립 결합 라인과 동일하며 다층 PCB의 내부 레이어에 위치합니다. 차동 라인은 브로드 사이드 결합 스트립 라인에 해당합니다. 디지털 신호는 홀수 모드 전송 모드에서 차동 라인을 통해 전송됩니다. 즉, 양극 신호와 음극 신호의 위상 차이가 180°이고 공통 모드에서 노이즈는 한 쌍의 차동 라인에 결합됩니다. 회로의 전압이나 전류를 빼서 공통 모드 노이즈를 제거하는 신호를 얻을 수 있습니다. 차동 라인 쌍의 저전압 진폭 또는 전류 구동 출력은 고속 통합 및 저전력 소비의 요구 사항을 충족합니다.

6 결론

전자 기술의 지속적인 발전으로 고속 PCB의 설계를 안내하고 검증하기 위해서는 신호 무결성 이론을 이해하는 것이 필수적입니다. 이 기사에 요약된 일부 경험은 고속 회로 PCB 설계자가 개발 주기를 단축하고 불필요한 우회를 방지하며 인력과 자재 자원을 절약하는 데 도움이 될 수 있습니다. 설계자는 실제 작업에서 계속 연구하고 탐구하고 경험을 계속 축적하고 새로운 기술을 결합하여 우수한 성능의 고속 PCB 회로 기판을 설계해야 합니다.