Malentendus et stratégies sur la conception de circuits imprimés à grande vitesse

En ce qui concerne les systèmes électroniques à grande vitesse, le succès de la conception de cartes de circuits imprimés conduit directement à la résolution de problèmes élevés dans le système de compatibilité électromagnétique (EMC) à la fois en théorie et en pratique. Afin d'atteindre la norme CEM, la conception de circuits imprimés à grande vitesse est confrontée à de grands défis. Les concepteurs de circuits imprimés à grande vitesse doivent donc abandonner la philosophie et les approches de conception traditionnelles dans leur processus de conception. Ce passage analyse principalement les malentendus et les stratégies dans le processus de conception de PCB à grande vitesse du point de vue de la pratique.

Constante diélectrique du matériau PCB haute vitesse

Jusqu'à présent, il existe principalement trois techniques de conception en termes de conception de circuits imprimés à grande vitesse :la technique de conception de graphe de bruit et de graphe de circuit imprimé retardé, la technique de contrôle du temps d'impédance et de propagation et la technique d'évaluation avec l'impédance du circuit imprimé comme paramètres parmi lesquels les deux derniers types de techniques. sont au cœur de la fabrication des PCB. Il existe également de nombreuses techniques sur les transmissions de fabrication de PCB à grande vitesse et les structures de base couramment utilisées sont le microruban et la ligne à ruban. En ce qui concerne les lignes de transmission PCB à grande vitesse, Z₀ c'est le paramètre d'impédance et t_pd c'est-à-dire que le temps de retard de propagation sont les variables les plus importantes. En fait, si la structure du microruban est différente de celle de la ligne triplaque, la formule de calcul sera également différente. Cependant, dans tous les cas, l'impédance est toujours la structure géométrique de la ligne de transmission. Dans la plupart des situations, la constante diélectrique d'une partie du matériau PCB est influencée par la fréquence, le taux d'absorption d'eau de la zone, la température et les caractéristiques électriques. Pour les PCB à deux couches ou multicouches, leur constante diélectrique est influencée par la proportion de résine et de silicium dans le matériau du PCB.

De nos jours, le matériau PCB le plus couramment utilisé est le FR4. Habituellement, les fournisseurs de matériaux PCB indiquent les valeurs de la constante diélectrique en fonction des techniciens du projet qui utiliseront le matériau. Dans les applications pratiques, les paramètres de valeur sont généralement obtenus dans la situation de 1 MHz, tandis qu'en termes de situations à grande vitesse, la constante diélectrique présente des changements évidents, comme le montre la figure 1.

Les trois courbes de la figure 1 font référence aux différentes proportions de silicium et de résine. Parmi les trois courbes, la courbe A est la plus haute, B moyenne et C la plus basse. Une fois que les opérateurs ne remarquent pas la différence, un grand écart peut avoir lieu entre les calculs ou le résultat de la simulation et les situations pratiques sur l'impédance et le temps de propagation, ce qui aura un effet sur la conception de l'intégrité du signal du système à grande vitesse.

Problème de coin à 90 °

Les angles à 90° doivent être évités dans le routage des PCB dans la plupart des documents, car ils peuvent entraîner une discontinuité d'impédance et un rayonnement d'interférence électromagnétique (EMI). Du point de vue de la théorie, le changement de largeur du coin à 90 ° est relativement important, ce qui entraîne une grande impédance et une grave discontinuité d'impédance. Du point de vue de la pratique, la puissance électromagnétique a tendance à se rassembler au coin du routage et plus le coin est pointu, plus la puissance est rassemblée. Sur la base de l'analyse ci-dessus, le rayonnement EMI devient le plus saillant à un angle de 90 °.

Mais certains chercheurs trouvent que l'influence d'un coin à 90° sur l'impédance est inférieure à 10 %. Pour la largeur de routage de 6mil, si cela devient une longueur de clé, alors ce sera dans la gamme THz. Ainsi, on peut estimer qu'un angle de 90° conduira certainement à une discontinuité d'impédance dans les situations pratiques.

Par conséquent, dans le routage PCB pratique, au moins dans la gamme GHz, il n'est pas nécessaire d'éviter les angles à 90° à un coût.

Principes 20-H

Depuis l'apparition des principes 20-H par KNG, il a été accepté comme principe principal pour la conception de circuits imprimés à grande vitesse. Même certains chercheurs indiquent que ce principe est capable d'aider la densité électromagnétique ambiante sur les couches de PCB concernées à diminuer d'environ 70 %. En outre, il joue également un rôle efficace dans la réduction du rayonnement EMI vers l'extérieur. Cependant, de nombreuses expériences ne répondent pas aux attentes des chercheurs.

Certaines expériences indiquent que pour les PCB à deux couches, le principe 20-H conduit à un rayonnement plus grave tandis que pour les PCB multicouches, l'utilisation du principe 20-H dans la couche moyenne interne n'apporte pas d'amélioration évidente.

Filtrage des paramètres de capacité

La capacité de filtrage est une mesure efficace et économique testée utilisée pour résoudre le problème CEM dans le système électronique. Cependant, le système électronique à grande vitesse entraîne de nouvelles exigences en matière de performances et de conception applicable de la capacité de filtrage. Le module simplifié de capacité de filtrage est illustré à la figure 2.

Il doit répondre à l'exigence suivante :Z_C S // Z_L (Z_C =1/2πfC). Un malentendu courant indique que tant que Z_C est inférieur à Z_L , le but de la capacité de filtrage peut être atteint. En fait, les paramètres de capacité de filtrage ne peuvent être déterminés que si les valeurs de Z_S et Z_L sont décidés.

Cependant, dans un circuit à grande vitesse, ni Z_S ni Z_L est une pure résistance, qui a besoin de valeurs complexes. Pendant ce temps, Z_C n'est pas une capacité pure dans le circuit à grande vitesse et la résistance série équivalente et l'inductance série équivalente doivent être prises en considération. Toutes ces difficultés sont toutes liées à l'application de la capacité de filtrage dans le système électronique à grande vitesse. Une fois que les concepteurs ignorent ces aspects, des différences évidentes se produiront entre les calculs ou le résultat de la simulation et la pratique.

Emballage en silicone

Les concepteurs de PCB ont tendance à accorder la plus grande attention à la disposition des PCB et aux interconnexions entre les composants sur les PCB et à ignorer l'importance de l'emballage des composants. En fait, cela produira probablement des résultats sérieux pour la conception de circuits imprimés à grande vitesse. L'emballage en silicium a une influence sur les performances du silicium à travers l'inductance parasite, la résistance parasite et la capacité parasite traversant les lignes de connexion et le conducteur. Ces paramètres généreront du bruit, un retard de communication, un taux de front et une réponse en fréquence. Les paramètres parasites des différents emballages peuvent être très différents. Pour le silicium avec le même circuit et un conditionnement différent, leurs performances présentent des caractéristiques différentes.

En fait, pour les systèmes électroniques à grande vitesse, la conception du silicium, la conception de l'emballage et la conception au niveau de la carte ne sont jamais indépendantes les unes des autres. Pour le flux de conception sur silicium, un package approprié doit être récupéré conformément au PCB. La disposition générale de la conception du silicium est influencée à la fois par les techniques et les éléments au niveau de la carte. Pour le packaging en silicone, son adéquation avec le PCB est un élément à prendre en compte. Plus important encore, un package adapté est très utile en termes d'intégrité au niveau de la carte et de problèmes EMC/EMI. Par conséquent, les emballages en silicone ne doivent jamais être ignorés ou méprisés.

Interférence de rayonnement de courant en mode commun

Dans les conducteurs de transmission de signal du PCB, il existe un courant en mode différentiel transmettant des signaux utiles et un courant en mode commun sans informations utiles, qui génèrent tous deux un rayonnement EMI.

En raison de son courant relativement élevé, le courant en mode différentiel a été mis en évidence par les concepteurs de circuits avec la formation d'une théorie et de techniques contrôlant le rayonnement EMI du courant en mode différentiel. En conséquence, certains outils EDA ont des fonctions de simulation et de prédiction de rayonnement EMI de courant en mode différentiel. Cependant, comparé au courant en mode différentiel, le courant en mode commun est beaucoup moins important, ce qui conduit facilement à l'ignorance des concepteurs du rayonnement EMI du courant en mode commun.

Néanmoins, selon des recherches récentes, bien que le courant en mode commun soit beaucoup plus petit que le courant en mode différentiel, l'interférence de rayonnement EMI générée par le premier est beaucoup plus grande que celle par le second. Jusqu'à présent, le rayonnement EMI de courant en mode commun est devenu l'une des principales sources d'interférence de rayonnement sur les circuits imprimés avancés à grande vitesse. Pire encore, la génération de rayonnement EMI de courant de mode commun a connu des raisons compliquées et ni simulation ni prédiction ne peuvent être réalisées. En outre, la recherche sur le contrôle du rayonnement EMI du courant de mode commun est toujours en cours.

Par conséquent, lors de la conception d'un circuit imprimé à grande vitesse, il n'est pas fiable de simuler et de prédire le rayonnement EMI en se basant uniquement sur le rayonnement EMI du courant en mode différentiel.

Ressources utiles
• Conseils de mise en page à grande vitesse
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