Методика проектирования помехоустойчивых высокоскоростных монтажных плат

Введение

В данной статье будет описана методика проектирования помехоустойчивых высокоскоростных монтажных плат, которая применялась при проектировании платы субблока цифрового фильтра. Под высокоскоростными монтажными платами подразумеваются монтажные платы, работающие в диапазоне сверхвысоких частот (свыше 300 МГц). Проблема обеспечения помехоустойчивости конструкций современных электронных средств обусловлена следующими основными особенностями:

1. рост степени интеграции компонентов, обусловленной применением технологии поверхностного монтажа, новых конструкций корпусов интегральных микросхем, увеличением числа выводов на один корпус, миниатюризация компонентов. Согласно прогнозу на 2010 год, число выводов компонентов возросло до 1200, шаг выводов 0.5-0.1 мм. Переход к топологическим нормам 6, 7 классов точности в соответствии с ГОСТ Р 53429-2009. Данные особенности приводят к снижению расстояний между проводниками, что приводит к увеличению значений погонных емкости и индуктивности взаимодействия, а, следовательно, к увеличению наведенных помех в соседних проводниках;

2. повышение быстродействия сигнальных цепей современных ФЯ и включение в их число сигнальных цепей, отличающиеся большим разбросом быстродействия: от 1 МГц до сотен и даже 1000 МГц. Например, в разработанном устройстве имеются цепи, передающие сигнал с частотой 48 МГц и с частотой 576 МГц. Повышение быстродействия приводит к уменьшению длительности фронта сигнала, что, в свою очередь, ведет к проблемам обеспечения целостности сигнала при его передаче. Большой разброс по быстродействию сигнальных цепей ведет к необходимости классификации линий связи, оценке их помехоустойчивости.

Из этих особенностей следует, что на ранних этапах проектирования, как для трассировки, так и для моделирования, необходимо выделить линии передачи с общими правилами трассировки. Для этого необходимо создать процедуру предтопологического анализа. Более того, необходима процедура посттопологического анализа, то есть механизм проверки топологии для идентификации и исправления ошибок топологи печатной платы.

Понятие помехоустойчивости является комплексным, оно включает защиту от внешних наводок и от внутренних. В статье рассматривается внутренняя помехоустойчивость. Была рассмотрена помехоустойчивость электрически коротких линий связи по модели активная-пассивная линия, либо активная-пассивная-активная, минимизация помех отражений для дифференциальных линий передачи и для электрически длинных линий передачи. Было рассмотрено устранение помех по цепям питания.

Решение этих задач объединено в единую методику, которая включает в себя алгоритмы предтопологического и посттопологического анализа. Методика ориентирована на пакет Altium Designer, то есть на принудительное ограничение длины проводников и участка взаимодействия двух и более проводников и на пакет HyperLynx для проверки полученной топологии. В пакете TXline ведется расчет дифференциальных линий передачи. Необходимость использования различных программных продуктов обусловлена преимуществами каждого из них в какой-либо области проектирования.

На основе разработанной методики была спроектирована и проверена монтажная плата субблока ЦФ. Субблок ЦФ и его монтажную плату можно отнести к высокоскоростной аппаратуре, так как в число его цепей входят цепи, передающие сигнал с частотой выше 300 МГц.

Методика проектирования

Задачей предтопологического анализа помехоустойчивости ФЯ ЦФ и выбора компоновки элементов является формирование критериев и правил для интерактивной трассировки печатной платы (ПП), устойчивой к воздействию внешних и внутренних помех (электромагнитных и электрических полей).

Исходными данными для предтопологического анализа является: схема электрическая принципиальная, параметры элементов (например, число выводов, шаг выводов), характеристики всего устройства (например, напряжения питания), значения помехоустойчивости микросхем. Исходя из ожидаемой площади платы и ожидаемого объема изделия и других особенностей конструкции, определяется ожидаемый размер ПП. Затем, исходя из предполагаемого числа связей на печатной платы и параметров корпусов микросхем, определяется шаг между проводниками и класс точности платы. Исходя из параметров устройства, а именно, напряжений питания, определяем число слоев разрабатываемой многослойной печатной платы (МПП).

Проанализировав схему электрическую принципиальную, сортируем все цепи так, чтобы частота передаваемого сигнала между группами отличалась примерно в 10 раз. После этого определяется среднестатистическая длина связи l, на основании которой будем относить линию передачи к электрически длинным или электрически коротким. Для электрически короткой линии передачи не требуется дополнительного согласования линии с нагрузкой и источником сигнала, напряжение во всех точках по длине линии в определенный момент времени имеют соответствующие одинаковые значения. Короткие линии моделируются сосредоточенными идеальными элементами, и их типовые модели представляют собой электрическую емкость или индуктивность (емкость взаимодействия C и взаимоиндукция M). Для электрически коротких линий передачи требуется определить уровень перекрестных помех. Расчетные формулы приведены в [1, 2]. Для электрически длинных линий связи так же необходимо оценить уровень перекрестных помех в начале и в конце линии, и, исходя из уровня помех и значений коэффициентов перекрестных помех в начале и в конце линии, фронта импульса, выбрать необходимое расстояние между проводниками и длину допустимого участка взаимодействия. Расчетные формулы приведены в [3]. Для данных линий передач характерно то, что необходимо найти не только значения погонных емкости и индуктивности линии связи двух проводников, но и собственные емкость и индуктивность каждого проводника. В дальнейшем необходимо выбрать вариант согласования линии передачи с источником сигнала и с нагрузкой (в начале и в конце линии).

Устранение помех в системе питания и заземления (скачки тока потребления) реализуется путем снижения сопротивления, а именно индуктивности шины питания. Особое внимание следует уделить установке на плате развязывающих конденсаторов по питанию ИС. Они защищают микросхемы от скачков тока потребления. Отсюда следует несколько правил размещения и компоновки развязывающих конденсаторов на МПП:

1. размещать развязывающие конденсаторы так близко, насколько возможно к выводам питания и заземления микросхем;

2. между металлизированным отверстием и контактной площадкой конденсатора должны применяться широкие, короткие проводники;

3. металлизированное отверстие должно быть рядом с контактной площадкой, или непосредственно в контактной площадке (микропереход);

4. если металлизированные переходные отверстия развязывающих конденсаторов несут противоположные по направлению токи, то эти отверстия следует располагать на минимально возможном расстоянии друг от друга (желательно не более l мм).

Снизить индуктивность системы питания и заземления можно путем правильного формирования структуры МПП. Слои питания и возвратные слои (слои земли) необходимо размещать как можно ближе друг к другу для того, чтобы емкость образованного при этом планарного конденсатора была больше (что, в свою очередь, ведет к уменьшению индуктивности системы питания и заземления). Формирование структуры МПП в дальнейшем упростит задачу оценки ее помехоустойчивости.

Проводники системы питания и заземления должны быть максимально широкими и короткими. Ширину проводников будем определять, исходя из значений силы тока, протекающего по проводнику и допустимого падения напряжения на шине питания.

Перейдем к анализу линий передачи информационных сигналов. Выбрав любую из сформированных групп, определяем критическую длину линии связи . Если отношение ≤ 0.5, то данную линию передачи можно отнести к электрически коротким. Если отношение > 0.5, но < 0.9, то данная линия передачи не является ни электрически короткой, ни электрически длинной. В данной методике для таких линий передачи можно увеличить минимальный фронт сигнала за счет введения в схему дополнительных элементов (резисторов или конденсаторов) в случае, если значение перекрестной помехи не удовлетворяет условию. Важно помнить, что увеличение фронта необходимо согласовывать с разработчиком, так как от этого ухудшается быстродействие схемы. Если > 0.9, то линия передачи является электрически длинной. Для электрически длинных линий передачи необходимо задать волновое сопротивление и определить запас внутренней помехоустойчивости линии передачи. Далее выбором параметров линии передачи требуется обеспечить равенство заданного и расчетного волновых сопротивлений. В случае их равенства переходим к анализу уровня перекрестных помех от соседних проводников и выбору варианта согласования линии передачи с источником сигнала и нагрузкой.

Для дифференциальных линий передачи характерно, что по ним передаются высокочастотные сигналы, поэтому их можно отнести к электрически длинным линиям связи. Далее необходимо задать дифференциальное волновое сопротивление и определить запас внутренней помехоустойчивости линии передачи. Перед проектированием необходимо определить вариант исполнения дифференциальной линии передачи, например, в виде полосковой или микрополосковой линии. Преимущество полосковой линии заключается в том, что скорости мод одинаковы и помехи на дальнем конце пассивной линии отсутствуют (в отличие от микрополосковой линии), но при использовании поверхностного монтажа необходимы переходные отверстия, влияние которых на передачу дифференциальных сигналов требуется оценивать в специальных программных средствах. Здесь необходимо оценить все преимущества и недостатки того или иного варианта и выбрать наиболее подходящий для разрабатываемой конструкции. Затем нужно задать параметры дифференциальной линии передачи (расстояние между проводниками, ширина проводников, расстояние от проводников до экранного слоя), и для заданных параметров рассчитать дифференциальное волновое сопротивления. В случае равенства значения рассчитанного волнового сопротивления и заданного волнового сопротивления необходимо перейти к расчету уровня внутренних помех и длины линии передачи. Для исключения расфазировок при передаче дифференциального сигнала необходимо рассчитать допустимую разность между длинами проводников в линии связи. Заключительным этапом будет выбор способа согласования проектируемой линии передачи с нагрузкой и источником сигнала. В ряде случаев, если наблюдается различие в конструкции одной из линии дифференциальной пары, возможно появление переменной составляющей в сигнале общего вида. В этом случае необходимо согласовывать дифференциальный сигналы и сигнал общего вида, например, П-образной или Т-образной схемой включения.

Результатом предтопологического анализа ФЯ ЦФ является набор параметров различных линий связи, которые обеспечивают на данном этапе помехоустойчивость изделия в целом, минимальные значения перекрестных помех, хорошую трассируемость всей схемы. Данные параметры позволяют правильно провести компоновку элементов на ПП.

В случае если какой-то из параметров линий связи невозможно обеспечить при трассировке (например, длину участка взаимодействия соседних проводников), необходимо изменить параметры монтажной платы (например, увеличить число сигнальных слоев) и, в соответствии с выбранными параметрами, осуществить пересчет волновых сопротивлений линий передач.

Задачей посттопологического анализа является проверка выполнения заданных правил проектирования ПП и параметров печатных проводников. Исходными данными для данного анализа является готовая топология и параметры линий передачи, рассчитанных ранее. Так как Altium Designer не позволяет проводить интерактивный контроль длин линий передач, то необходимо вывести отчет о длинах всех проводников и сравнить с рассчитанными ранее. Для линий передачи дифференциального сигнала необходимо, помимо контроля длин, контролировать разность между длинами проводников в паре для исключения расфазировки. В случае превышения допустимой длины каким-либо проводником необходимо провести коррекцию топологии схемы. Методами устранения ошибок являются:

1. частичная перекомпоновка элементов схемы (можно снизить длину участка взаимодействия и длину проводника);

2. перетрассировка проводника (следует расположить его дальше от проводника-агрессора);

3. в случае нехватки места для перетрассировки проводника возможно перенесение его на другой сигнальный слой.

После трассировки и ручной проверки топологии необходимо экспортировать топологию в HyperLynx. В нем, для оценки перекрестных помех и критической длины связи, необходимо провести автоматическую процедуру быстрого анализа. В основу быстрого анализа заложен экспертный алгоритм. Экспертный алгоритм, идентифицирующий связанные наводкой цепи, делает предположения о худшем случае, чтобы не было пропущены цепи связанные наводкой. Это означает, что используются Стандартная Модель ИС, если в цепи нет модели передатчика. Также, алгоритм предполагает, что все цепи не согласованы. Сумма интенсивности двух самых сильных агрессоров также отображается в файле отчета, поскольку это наиболее типично. Для генерирования Crosstalk Strengths Report, экспертный алгоритм использует скорость фронта передатчика и информацию взаимовлияний передающей линии. В стандартную модель ИС должен быть установлен самый быстрый фронт линии передачи с соответствующим сопротивлением и емкостью, а также допустимое значение амплитуды перекрестной помехи (например, для рассматриваемой платы NM_MIN=0.4 В). Устанавливать необходимо те значения, которые были определены ранее, на этапе предтопологического анализа, и которые представляют собой наихудший случай. В окне HyperLynx можно посмотреть участок, содержащий проблемные цепи. На рисунке 1 представлена ситуация, когда на цепь-жертву наводятся помехи от проводников, расположенных по обе стороны от рассматриваемой цепи (возможны случаи наводки помех от 3 и более проводников).

Рисунок 1 – Часть топологии многослойной печатной платы

Далее необходимо в Altium Designer скорректировать топологию вышеперечисленными методами и снова ее экспортировать в HyperLynx, и проверить. Если параметры и размеры платы не позволяют разнести цепи-агрессоры и цепи-жертвы, следует провести более детальный анализ (подключить ibs., .mod, .pml модели для каждой микросхемы) и провести анализ передачи сигнала во встроенном осциллографе.

В таблице 1 представлены результаты быстрого анализа топологии монтажной платы, разработанной в Altium Designer и монтажной платы аналогичного устройства, разработанного в PCAD без использования рассмотренной методики.

Таблица 1 – Результат анализа топологии в HyperLynx

Таким образом, видно, что проектирование монтажной платы по данной методике дает высокие результаты в области помехоустойчивости (например, из 282 сигнальных цепей рассматриваемой платы требованиям помехоустойчивости, при стандартных параметрах линий передач, не удовлетворяют только 3). На рисунке 2 представлена осциллограмма для линии передачи, представленной на рисунке 1. В ней отражена ситуация, когда цепь-жертва (средний проводник) находится в статическом состоянии (по ней не передается сигнал), а по двум соседним цепям-агрессорам передается сигнал с частотой 48 МГц.

Рисунок 2 – Цепь-жертва в статическом состоянии

Из рисунка 2 следует, что амплитуда перекрестной помехи А=762 мВ, что превышает уровень предельно допустимой помехи NM_MIN=400 мВ. Но данная амплитуда перекрестной помехи не приводит к переключению микросхемы в состояние логической “1” (для ТТЛ-логики данный порог составляет 2 В). То же самое наблюдается в случае передачи сигнала по цепи-жертве. Данная ситуация представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Воздействие перекрестных помех на передаваемый сигнал по цепи-жертве

Из рисунка 3 следует, что при передаче уровня напряжения логической “1” по цепи-жертве, сигнал не опускается до порога уровня логического “0” (0.8 В), что значит, что сообщение будет принято верно. То же самое наблюдается при передаче логического “0”: выброс сигнала не достигнет порога уровня логической “1”.

Так были проанализированы оставшиеся 2 цепи, амплитуда перекрестной помехи для которых превысила предельно допустимой. В ходе проверки не было выявлено ситуаций, когда передаваемый сигнал был принят неправильно. Отсюда следует, что рассматриваемая монтажная плата будет являться помехоустойчивой.

Преимуществом представленной методики является то, что она позволяет разработать плату с любым значением помехоустойчивости. В процессе верификации топологии, в процедуре быстрого анализа, так же можно снижать допустимое значение амплитуды перекрестной помехи, тем самым доводить проектируемую плату до необходимого уровня качества.

Литература:

1. Ушкар М.Н. Конструирование электронно-вычислительных средств: Учебное пособие к практическим занятиям. – М.: Изд-во МАИ, 2007. – 60 с: ил.

2. Барнс Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. – М.: Мир, 1990.

3. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры – М.: OOO «Группа ИДТ», 2007. – 616с.: ил. – (библиотека ЭМС).