SamsPcbGuide Teil 4: Verfolgen von Signalleitungen. Induktivitätsminimierung

Welt, Leiterplattenspur, Mai. Weil die Leiterplattenverfolgung Arbeit ist. Und dieser Artikel öffnet einen ganzen Block, dessen Zweck darin besteht, die richtigen Werkzeuge für diese Aufgabe bereitzustellen. Es unterstreicht die Bedeutung der Steuerung des Weges des Rückstroms und der Minimierung der Induktivität des Stromkreises kritischer Signalleitungen sowie Empfehlungen für deren optimale Verfolgung.

Wie bereits in den vorhergehenden Artikeln des Zyklus erwähnt, sollten bei der Entwicklung einer Leiterplatte die Möglichkeiten erschwinglicher Technologie für ihre Herstellung berücksichtigt werden. Darüber hinaus sollte unter „Zugänglichkeit“ hier „Zugänglichkeit innerhalb des vorgegebenen zeitlichen, finanziellen und organisatorischen Rahmens“ verstanden werden. Technologische Einschränkungen sind besonders wichtig während der PCB-Trace-Phase. Daher wird empfohlen, vor Beginn der Rückverfolgung die technologischen Standards des vorgeschlagenen Herstellers zu studieren und im verwendeten CAD-System eine Reihe von Regeln zu erstellen, deren Implementierung bei der Rückverfolgung der Leiterplatte automatisch überwacht wird. Wir stellen sofort fest, dass moderne CAD-Systeme zwar Werkzeuge zum automatischen Verfolgen einer Leiterplatte bieten, diese jedoch in diesem Artikel nicht berücksichtigt werden und im Allgemeinen nicht für die Verwendung empfohlen werden. Nur für ein relativ einfaches Projekt mit einer guten Platzierung der Komponenten und einem durchdachten Regelwerk bieten diese Tools eine qualitativ hochwertige Topologie.

Rückstrom nicht vergessen

Die Leiterplattenverfolgung ist der Prozess, mit dem der Entwickler die Pfade des Stromflusses in den Metallisierungsschichten der Leiterplatte festlegt. In elektrischen Schaltkreisen fließen Ströme entlang geschlossener Pfade - Stromkreise - vom positiven Pol der Spannungsquelle zum negativen. Daher muss verstanden werden, dass der Gleichstrom, der von der Spannungsquelle zur Last fließt, immer dem Rückstrom entspricht, der von der Last zurück zur Quelle fließt. Dieses Strompaar bildet einen geschlossenen Regelkreis, dessen Steuerung, insbesondere bei Hochfrequenzsignalen, die Hauptaufgabe des Entwicklers ist. Eine große Anzahl von Fehlern und Problemen mit EMV und EMR von Leiterplatten ist genau darauf zurückzuführen, dass der Entwickler die Trajektorien und die gegenseitige Beeinflussung von Rückströmen nicht analysiert. In Abb. Abbildung 1 zeigt einen typischen Strompfad der Signalleitung, und ein farbiges Rechteck hebt den Teil dieser Schaltung hervor, der normalerweise die meiste Aufmerksamkeit des Entwicklers erhält, während der verbleibende Teil der Schaltung manchmal für sich allein bleibt. Die Abbildung spiegelt auch die Tatsache wider, dass integrierte Schaltkreise keine elektrischen Energiequellen sind. Sie erfüllen die Funktion komplexer Schlüsselelemente, während die Energiequellen Batterien, Kondensatoren des Stromversorgungssystems sowie Quellen außerhalb der Leiterplatte sind.


Wenn der Pfad des Rückstroms nicht vom Entwickler festgelegt wird, wird er durch die Topologie der Platine (hauptsächlich den gemeinsamen Draht) und die Gesetze der Physik (wie jedoch immer) bestimmt - es gibt eine Verteilung der Stromdichte entlang der Pfade in umgekehrtem Verhältnis zu ihrer Impedanz. Im allgemeinen Fall wird diese Verteilung nicht analytisch ausgedrückt, für einfache Fälle existieren jedoch Lösungen. Im zweiten Artikel des Zyklus wurde empfohlen, Signalschichten in der Nähe einer kontinuierlichen Erd- oder Leistungsschicht zu platzieren. In dieser Konfiguration ist die Verteilung des Rückstroms in der Referenzschicht für das Niederfrequenzsignal nahezu gleichmäßig (Fig. 2A), da mit der Ausdehnung des Stromflussbereichs die durch die Widerstandskomponente bestimmte Impedanz abnimmt. Mit zunehmender Frequenz wird der Einfluss der reaktiven Komponente entscheidend und der unter dem Signalweg verlaufende Pfad hat eine minimale Induktivität, da die Schleifenfläche minimal ist (Fig. 2B, siehe den ersten Artikel). Eine analytische Schätzung der Verteilungsdichte des Rückstroms einer dünnen Mikrostreifenleitung (Breite w ≤ h) ergibt sich aus der folgenden Formel (x ist der Abstand vom geometrischen Mittelpunkt der Linie, h ist die Höhe über der Referenzschicht):


Eine solche Verteilung liefert einen Mindestwert der Induktivität, dh für alle Frequenzen, für die der ohmsche Widerstand im Vergleich zur Reaktanz vernachlässigbar ist, wird er durch diese Formel beschrieben. Eine Analyse der Verteilung zeigt, dass 50% des Stroms im ± h-Band und 80% des Stroms im ± 3h-Band konzentriert sind.


Es ist wichtig zu verstehen, dass reale Signale aus einer Reihe von Frequenzen mit einer bestimmten Spektralverteilung bestehen, während sie meistens einen Rauschanteil aufweisen, dessen Spektrum sich erheblich vom Spektrum des Signals selbst unterscheiden kann. Beispielsweise kann in der "niederfrequenten" Stromleitung beim Schalten digitaler Schaltungen ein signifikantes hochfrequentes Impulsrauschen auftreten. Somit wird für niederfrequente Komponenten des Signals der Rückstrom gleichmäßig in einem weiten Bereich entlang des kürzesten Weges verteilt und für hochfrequente (f ~ 100 kHz) in einem engen Bereich in maximaler Nähe zum Gleichstrom konzentriert.

Vermeiden Sie Ausschnitte in der Basisschicht

Jede Abweichung der Stromverteilung vom Optimum führt zu einer Erhöhung der Induktivität der Stromschleife. Eine Abweichung tritt auf, wenn in der Trägerschicht Ausschnitte (dt. Split, Schlitz, Spalt) vorhanden sind, die durch mechanische und Durchkontaktierungen, eine Anzahl von Durchkontaktierungen oder Anschlussleitungen, eine Signalspur in der Abutmentschicht verursacht werden können (Abb. 3). Howard Johnson in [2, Abschnitt 5.3] gibt eine Schätzung der Induktivität, die durch eine enge Diskontinuität der Länge D eingeführt wird:


wobei w die Breite der Spur ist, ist der Einfluss der Breite der Lücke selbst gering. Für eine Signalspur mit einer Breite von w = 0,2 mm mit einem Spalt der Länge D = 1 cm beträgt die Zunahme der Induktivität ∆L1 ≈ 8 nH. Zum Vergleich: Wenn der Signalweg um den Spalt gezogen würde, würde seine Länge im Durchschnitt um D zunehmen, was wiederum mit der Spurhöhe über der Referenzschicht h = 0,25 mm zu einer zweifach geringeren Zunahme der Induktivität führen würde:

Induktivität minimieren

Für jedes Element der Leiterplatte ist eine parasitäre Induktivität vorhanden - Spuren, Durchkontaktierungen, durchgehende Schichten, Lötstellen, Mikroschaltungsleitungen, Mikrodrahtschweißen. Warum ist es wichtig, die Streuinduktivität kritischer Leitungen (aggressive Quellen für hochfrequentes Rauschen und empfindliche analoge Stromkreise mit niedrigem Strom) zu minimieren? Es genügt, sich an einige Formeln zu erinnern, in denen die Induktivität als Parameter enthalten ist: eine Formel, die den Fluss eines Magnetfelds und die Stromstärke in einem Leiter in Beziehung setzt


Formel, die die Induktions-EMK in Beziehung setzt, wenn sich der Strom im Leiter ändert


Resonanzfrequenzformeln


und der Qualitätsfaktor der LC-Schaltung


Je höher die Induktivität, desto höher die Strahlung, desto höher das gepulste Rauschen einschließlich Übersprechen, desto niedriger ist die Anregungsfrequenz von Störschwingungen und desto länger ist die Abklingzeit. All diese Effekte sind natürlich unerwünscht, und die damit verbundenen Probleme können nicht immer durch Nacharbeiten der Leiterplatte gelöst werden, z. B. durch Installation zusätzlicher Filterkomponenten und Abschirmung.

R.1.

Es ist wichtig, hochfrequente Signalleitungen zu verlegen, um die Induktivität der Schaltung zu minimieren. Dies wird erreicht durch:

• Minimieren der Länge der Druckspur,
• Ausschluss von Übergängen zwischen Signalschichten,
• die Nähe der Spur zur Referenzschicht,
• Fehlen von Lücken in der Referenzschicht auf dem Weg des Rückstroms.

Wenn es nicht möglich ist, den erweiterten Spalt in der Referenzschicht unter der Signalleitung zu beseitigen, wird empfohlen, mindestens einen Keramikkondensator (englischer Stichkondensator) in maximaler Nähe zur Signalleitung anzuordnen, um einen Rückstrompfad durch den Abschnitt bereitzustellen. Mit zunehmender Frequenz verringert jedoch die parasitäre Induktivität des Kondensators und seiner Verbindungen mit der Referenzschicht die Effizienz der Lösung.

Ebenenübergänge optimieren

Das wichtige Problem des Spurübergangs zwischen Signalschichten erfordert eine gesonderte Betrachtung, da es nicht immer möglich ist, ein Fadenkreuz für alle kritischen Signale auszuschließen. In Abb. Abbildung 4 zeigt die Pfade der Vorwärts- und Rückströme für verschiedene Optionen für den Übergang zwischen Schichten. Die Abbildung zeigt bedingt den Effekt des Hauteffekts: Rückströme fließen in der Oberflächenschicht des Leiters. Durch Erhöhen der Anzahl der roten Pfeile kann die Zunahme der Gesamtinduktivität des Pfades, zu dem die Induktivität der Durchkontaktierungen addiert wird, sowie bei verschiedenen Trägerschichten und der Induktivität der Lötstellen und der Serieninduktivität des Kondensators (englische äquivalente Serieninduktivität, ESL) beurteilt werden. Zusätzlich fließt bei Stützschichten mit unterschiedlichen Potentialen der hochfrequente Teil des Rückstroms in Form von Vorspannungsströmen (rot gestrichelte Pfeile). Dies führt neben Problemen mit der Integrität des Signals zum Auftreten von Rauschen in diesem Stromversorgungskreis und zu einer Erhöhung des Pegels elektromagnetischer Strahlung [3].


Henry Ott präsentiert in [4, Abschnitt 16.3.3] die Daten eines Experiments, bei dem die Änderung des Niveaus der elektromagnetischen Strahlung für eine vierschichtige Leiterplatte im Fall eines Übergangs einer Hochfrequenzleitung von der oberen zur unteren Schicht mit Bezugserde untersucht wurde. Die Trägerschichten waren nicht durch Durchkontaktierungen miteinander verbunden, sondern nur aufgrund kapazitiver Kopplung. Der Strahlungspegel für dieselbe Karte, auf der die Signalleitung in einer Schicht getrennt war, wurde als erste genommen. Der Anstieg betrug etwa 30 dB bei einer Frequenz von ~ 250 MHz, und erst nach 2 GHz lieferte die verteilte Kapazität der Leiterplatte eine ausreichend niedrige Impedanz des Übergangs zwischen den Referenzschichten, so dass sich der EMR-Pegel nicht stark unterschied. Das Experiment zeigt, wie wichtig es ist, Übergänge zwischen Signalschichten für Hochfrequenzleitungen zu eliminieren.

R.2.

In Fällen, in denen der Übergang nicht vermieden werden kann, werden die folgenden Optionen in der Reihenfolge ihrer Priorität empfohlen:

• zwischen zwei Schichten neben derselben Trägerschicht (Fig. 4B),
• zwischen zwei Schichten neben den Trägerschichten des gleichen Potentials (Leistung / Masse), während in maximaler Nähe zum Ort des Wechsels der Schicht (Fig. 4B) und vorzugsweise entlang der Signalleitung die Trägerschichten durch Durchkontaktierungen verbunden sind,
• zwischen zwei Schichten neben benachbarten Trägerschichten mit unterschiedlichen Potentialen, während in maximaler Nähe zum Ort des Schichtwechsels die Trägerschichten durch mindestens zwei Keramikkondensatoren mit einer niedrigen Verbindungsinduktivität verbunden sind (Fig. 4G),
• zwischen zwei Schichten neben beabstandeten Trägerschichten mit unterschiedlichen Potentialen, während in maximaler Nähe zum Ort des Schichtwechsels die Trägerschichten durch Keramikkondensatoren mit einer niedrigen Kopplungsinduktivität verbunden sind - nicht empfohlen für kritische Signale mit Kanten in der Größenordnung von 1 ns.

Das Wechseln zwischen mehr als zwei Schichten für kritische Signale wird nicht empfohlen. Die bevorzugte Trägerschicht in den ersten beiden Varianten ist die Erdschicht. Wenn die Referenzschicht die Leistungsschicht ist, ist es notwendig, eine niedrige Impedanz des Leistungssubsystems im Signalspektrumband bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass sich häufig eine große Anzahl von Keramikkondensatoren in der Nähe der Mikroschaltungen befindet. Daher ist das Ändern der Schicht des Signalpfads in der Nähe des Empfängers / Senders am optimalsten und erfordert im besten Fall keine Platzierung zusätzlicher Komponenten.

In komplexen Leiterplatten gibt es viele Signalleitungen, und es ist nicht möglich, die in diesem Artikel angegebenen Empfehlungen für alle Signale zu erfüllen, insbesondere angesichts der hohen Anforderungen an die Abmessungen der Endprodukte. Aus diesem Grund ist es erforderlich, eine Gruppe kritischer hochfrequenter und empfindlicher Signale auszuwählen und von diesen zu verfolgen. In diesem Fall sollte die Anordnung der dieser Gruppe zugeordneten Komponenten die Möglichkeit für eine optimale Verdrahtung kritischer Signale bieten. Die Aufgabe, die Induktivität der Stromschleife zu minimieren, ist nur einer der Aspekte der Signalleitungsverfolgung. In den nächsten Artikeln des Zyklus werden Verdrahtungstechniken und Anpassungsschaltungen berücksichtigt, die Reflexionen und Übersprechen in den Leitungen reduzieren.

Literatur

[1] Holloway CL, Kuester EF "Ausdrücke in geschlossener Form für die Stromdichte auf der Grundebene einer Mikrostreifenleitung mit Anwendungen für den Verlust der Grundebene." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 43, nein. 5. Mai 1995.
[2] Johnson H. "Digitales Hochgeschwindigkeitsdesign: Ein Handbuch der schwarzen Magie", Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B. usw. "EMI infolge von Signalübergängen über den DC-Leistungsbus", IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2000.
[4] Ott, HW Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009.

Der Artikel wurde erstmals in der Zeitschrift Components and Technologies 2018, Nr. 2 veröffentlicht. Die Veröffentlichung auf Geektimes wurde mit den Herausgebern des Magazins vereinbart.