УДК 621.3.049.75
Аннотация
Проведен анализ состояния целостности сигналов в зависимости напряжения от времени. Выведены основные требования к трассировке высокоскоростных цепей на системной плате. Рассмотрены требования к реализации трассировки BGA компонентов. Описан процесс контроля импеданса и влияние на него опорных слоев. Приведены примеры материалов заготовок для системных плат.
Abstract
The analysis of the state of signal integrity as a function of voltage versus time is carried out. The basic requirements for tracing high-speed circuits on the motherboard are derived. The requirements for the implementation of tracing BGA components are considered. The process of impedance control and the influence of support layers on it is described. Examples of billet materials for motherboards are given.
Ключевые слова
Печатная плата, высокоскоростные цепи, импеданс, стеклотекстолит, BGA, USB, PCIe, SATA, Ethernet, DDR4, HDMI, PCI.
Keywords
PCB, high-speed circuits, impedance, fiberglass, BGA, USB, PCIe, SATA, Ethernet, DDR4, HDMI, PCI.
В настоящее время пользовательские требования к мощностям персонального компьютера (ПК) возрастают. Используемые программы нуждаются в более мощной компьютерной системе. Это происходит в связи с обновлениями, имеющими улучшенную графику и более оперативную работу. Естественно, что с такими потребностями основные составляющие, которые за это отвечают, процессор и видеокарта, становятся более мощными. Соответственно системная плата, объединяющая большинство электронных блоков ПК должна выдерживать все возлагаемые на нее нагрузки. Из этого следует, что требования к проводникам на этих платах возрастают. Высокоскоростные цепи необходимы для максимальной оперативной и качественной работы каждого блока системной платы [1].
Целью данной работы является оптимизация процесса трассировки высокоскоростных цепей на системной плате. Необходимость контроля импеданса, выбор материала заготовки системной платы и основные требования к интерфейсам содержащимся на ней.
PCIe – это последовательный интерфейс для подключения графических карт и других карт расширения [2].
PCI – в отличии от PCIe является параллельным интерфейсом для подключения внутренних устройств их не стоит путать [2].
Основные требование к трассировке интерфейсов PCIe
Импеданс - 90 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 0,15 мм
Максимальная длина дорожек - 200 мм
Минимальный зазор между парами - 0,5 мм
Количество переходных отверстий - 2 отв. cигнал TX. 4 отв. сигнал RX
Инверсия полярности - Да
SATA – последовательный интерфейс для подключения накопителей (жестких дисков).
Основные требование к трассировке интерфейсов SATA
Импеданс - 90 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 0,15 мм
Максимальная длина дорожек - 150 мм
Минимальный зазор между парами - 0,5 мм
Количество переходных отверстий - 2 отв. cигнал TX, RX
Инверсия полярности - Нет
DDR – высокоскоростной интерфейс памяти. Применяется для оперативной памяти устройства [3].
Основные требование к трассировке интерфейсов DDR
Импеданс - 100 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 0,15 мм
Максимальная длина дорожек - 100 мм
Минимальный зазор между парами - 0,5 мм
Количество переходных отверстий - Стараться сохранять слой трассировки, при необходимости размещать минимальное количество переходов
Инверсия полярности - Нет
Интерфейсы для подключения периферии устройства:
USB – многофункциональный периферийный интерфейс используемый для подключения таких устройств как: мышь, клавиатура, переносные ячейки памяти (портативные жесткие диски), цифровые камеры, микрофон, телефон и т.д. USB делятся на 2 типа USB 2.0 и USB 3.0 различие в скорости и количестве имеющихся дифференциальных пар.
Основные требование к трассировке интерфейсов USB 2.0
Импеданс - 90 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 1.1 мм
Максимальная длина дорожек - 200 мм
Минимальный зазор между парами - 0,5 мм
Количество переходных отверстий - Стараться сохранять слой трассировки, при необходимости размещать минимальное количество переходов
Инверсия полярности - Нет
Основные требование к трассировке интерфейсов USB 3.0
Импеданс - 90 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 0,15 мм
Максимальная длина дорожек - 200 мм
Минимальный зазор между парами - 0,5 мм
Количество переходных отверстий - 2 отв. сигнал TX. 4 отв. сигнал RX
Инверсия полярности - Нет
HDMI – мультимедийный цифровой интерфейс с высоким разрешением, используется в основном для подключения монитора.
Основные требование к трассировке интерфейсов HDMI
Импеданс - 90 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 0,75 мм
Максимальная длина дорожек - 250 мм
Минимальный зазор между парами - 0,5 мм
Количество переходных отверстий - Стараться сохранять слой трассировки, при необходимости размещать минимальное количество переходов
Инверсия полярности - Нет
Ethernet – интерфейс для пакетной передачи данных для компьютерных и промышленных сетей [4].
Основные требование к трассировке интерфейсов Ethernet
Импеданс - 95 Ом ± 10% для дифференциальной пары
Максимальное рассогласование дифференциальных проводников - 0,25 мм
Максимальная длина дорожек - 100 мм
Минимальный зазор между парами - 0,45 мм
Количество переходных отверстий - 2 отв.
Инверсия полярности - Нет
При трассировке системной платы, которая содержит большое количество интерфейсов необходимо соблюдать все требования и правила для высокоскоростных цепей, что позволит выпускать корректно работающее устройство.
Выбор материала для проектирования системной печатной платы очень важен. Необходимо учитывать, что на плате будет располагаться процессор и микросхемы чипсета, которые имеют способность сильно нагреваться, следовательно, важно использовать материал высокотемпературный стеклотекстолит и препреги в основном это HiTg 170-175°С, также необходимо соблюдение термостабильности материала.
Пример материалов:
· IT-180ABS/IT-180ATC;
· FR4 HiTg170°С;
· Rogers 3000-series;
· Rogers 4000-series;
· Rogers 4400-series;
Свойства этих материалов включают температуру разложения и стеклования, а также коэффициент теплового расширения и время расслоения.
При трассировке BGA процессоров возникает проблема вывода линий и их сигналов друг на друга поэтому необходимо придерживаться определенной стратегии. Первый ряд выводится на внешнем слое, второй и третий через сквозные отверстия по первому внутреннему слою, тогда мы избегаем наложения линий друг на друга, что помогает избежать добавление дополнительного опорного – изолирующего слоя. Последующие слои выводятся через microvia на нужные нам слои, при этом не забываем вставлять опорные слои земли между сигнальными слоями [5].
Для разводки корпуса BGA с шагом контактной площадки 0,5мм и ниже, не обойтись без микропереходов, создаваемых на площадке (microvia-in-pad). Пример такой трассировки представлен на рисунке 2.
Каждый интерфейс, как и его назначение имеет различные требования к своей трассировке. Существует понятие, согласование длин дифференциальных пар и их существует два типа: первый – это согласование длин проводников внутри одной дифференциальной пары. Следует учитывать равенство длин, как по всему проводнику, так и на отдельных участках. За этим необходимо тщательно следить, чтобы распространение прямого и инвертированного сигнала проходило максимально синхронно. Это поможет уменьшить влияние создаваемых электромагнитных полей и шумов. На рисунке 3 представлено выравнивание длин на отдельных участках дифференциальной пары [6].
Второй тип – это согласование длины разных дифференциальных пар одного интерфейса. Например, DDR4, требующий к себе одинаковую длину всех проводников, как дифференциальных пар, так одиночных линий. Для выравнивая цепей по длине используют трассировку в виде меандра. При этом необходимо чтобы расстояние между ближайшими линиями меандра было как минимум в 4 раза больше ширины самой линии, а длина перпендикулярных частей в 1,5 раза больше [6].
Важным аспектом является контроль импеданса и минимизация шумов (помех), создаваемых другими сигналами, для этого необходимо добавлять опорные слои. Также это позволит не беспокоиться о пути прохождения возвратного тока и не даст излучиться сигналу. Опорный слой может быть, как землей, так и питанием. При использовании опорного слоя питания нужно использовать дополнительные конденсаторы по 10нФ на концах сигналов. Опорный слой должен покрывать целиком сигнальные линии интерфейсов и не иметь разрывов и пересечений. При использовании земли, рекомендуется покрывать слой целиком, для питания обязательно заполнять пространство под сигнальными дорожками. На рисунке 5 представлен фрагмент топологии цепей с опорным слоем питания. На рисунке 8 выведен график целостности сигнала дифференциальной пары, с цельным опорным слоем питания [6].
Запрещено пересекать полигонами питания дифференциальную пару, в таком случае сигнал не будет стабильным.
На рисунке 7 представлены графики влияния пересечения дифференциальной пары интерфейса полигоном питания 3В и 5В.
Анализ показывает явные перепады напряжения по времени (рис.7), что существенно влияет на качество и скорость передаваемого сигнала в устройстве. Также можно заметить разницу между перепадами на проводниках DP и DN это связано с большим воздействием пересекающего полигона питания на сигнал DP. График на рисунке 8 показывает стабильный сигнал так как слой питания полностью покрывает площадь под проводниками, не оказывая на них отрицательного влияния [7].
В результате работы были сформированы и описаны основные требования к трассировке высокоскоростных цепей на системных платах. Особое внимание выделено критическим интерфейсам на плате: USB 2.0, USB 3.0, PCI, PCIe, SATA, LVDS, Ethernet и DDR4. Также описаны наиболее подходящие материалы для формирования stack-up платы. Проведен анализ состояния целостности сигналов в зависимости напряжения от времени. В котором явно заметна разница между сигналом, у которого имеется полноценный полигон опорного слоя питания и сигналом, который был пересечен полигоном питания.
Используемые источники
1. Говард Джонсон, Мартин Грэхем, Конструирование высокоскоростных цифровых устройств 2006г. (дата обращения: 18.10.2022).
2. Рекомендации по проектированию печатных плат с интерфейсом PCIe Gen4. 31 января 2022 АО «БАЙКАЛ ЭЛЕКТРОНИКС» Номер документа: BE-S1000-AN#1627 Версия 1.00.
3. Проектирование печатных плат с DDR: моделирование и анализ (дата обращения: 18.10.2022).
4. Технология Ethernet. Обзор, описание, формат кадра. (дата обращения: 18.10.2022).
5. Тютюков С.А. Практические рекомендации по разработке печатных плат. Версия С.1.1 Тютюков С.А., 2018.
6. Трассировка сигнальных линий. Дифференциальные пары. 5 августа 2018г.
7. Колесникова Т. Проектирование принципиальных схем и печатных плат в программной среде Mentor Graphics PADS 9.5. Часть 5. Анализ целостности сигналов высокоскоростных печатных плат в HyperLynx // Технологии в электронной промышленности. 2015. №3.
