возвратный ток что это
Что такое возвратный путь тока на печатной плате?
Знаете ли вы, как определить возвратный путь тока в конструкции платы?
Одним из основных аспектов любой электрической схемы является путь возвратного тока. Если на схеме путь, по которому идет ток, чтобы вернуться к полюсу низкого потенциала источника питания, должен быть очевиден, то он может быть не столь очевиден на плате. По словам великого Эрика Богатина (Eric Bogatin) на докладе PCB West 2019, различия между электрической схемой и топологией платы обитают в пустом пространстве схемы. Иными словами, для более глубокого понимания того, как ток движется в устройстве, необходимо рассматривать топологию платы.
Геометрия трасс и внутренних слоев является лишь одним из аспектов, который определяет путь возвратных токов в плате. Сам сигнал, в некотором смысле, выбирает собственный возвратный путь. Если конструктор понимает, как геометрия и характеристики сигнала влияют на возвратный путь, становится проще определить возвратный путь для сигналов, не прибегая к использованию 2D- и 3D-анализаторов полей.
Что определяет путь возвратного тока в плате?
Мы говорим, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, но это справедливо только для цепей постоянного тока. Для изменяющихся со временем сигналов, возвратный ток следует по пути наименьшего реактивного сопротивления, который также является путем наименьшего полного сопротивления. Это значит, что возвратный путь в плате определяется полным сопротивлением цепи, по которой идет возвратный ток.
Если это звучит неясно, немного рассмотрим структуру современной платы. Ток идет от источника по шине питания или по экранному слою, далее к компонентам и затем к слою земли, по которому он идет обратно к полюсу низкого потенциала источника. У всего этого пути есть некоторое полное сопротивление.
Из базового курса электроники мы помним, что полное сопротивление можно разделить на активную часть (не зависит от частоты) и реактивную (зависит от частоты). На самом деле, любая цепь в реальной печатной плате может вести себя как чисто резистивная, чисто емкостная или чисто индуктивная, в зависимости от геометрии, работы различных компонентов и частоты протекающего через цепь сигнала. Реальные линейные цепи на плате следует моделировать по крайней мере как RLC-цепи, даже если цепь не содержит дискретных конденсаторов или индуктивностей.
Почему цепь на плате работаете как RLC-цепь? Это происходит, поскольку смежные проводники разделены диэлектрической подложкой, что создает некоторую паразитную емкость. Индуктивность возникает, поскольку путь, по которому идет ток, формирует замкнутый контур и подложка обладает некоторой магнитной проницаемостью, поэтому у каждой цепи есть некоторая паразитная индуктивность. Эти паразитное сопротивление и сопротивление по постоянному току вносят свой вклад в полное сопротивление при прохождении сигнала по плате. В совокупности с геометрией трасс и плоскостей, они определяют путь, которому следует сигнал при возврате к источнику питания.
Как частота сигнала влияет на возвратный путь в плате
Чтобы понять, как в плате образуется возвратный путь тока, сначала на простом примере рассмотрим, что происходит с постоянным током. На виде сверху изображения ниже показаны трассы, идущие к микросхеме, на верхней стороне платы. В нижней части изображения показан внутренний слой земли. Два проводника разделены диэлектрической подложкой, что формирует емкость между двумя слоями. Обратите внимание, что символы конденсатора, показанные ниже, не означают наличие дискретных конденсаторов – воспринимайте их как часть модели с сосредоточенными параметрами. Обратите внимание, что это, по сути, причина того, что каждая трасса в плате является линией передачи.
Постоянный ток, который начинается на верхнем слое (в точке +5 V), следует прямо вдоль трассы, что является путем наименьшего сопротивления. После того, как ток покидает микросхему, он входит во внутренний слой через переходное отверстие и идет вдоль слоя земли, после чего возвращается к источнику питания на внешнем слое через другое переходное отверстие. Для постоянного тока реактивное сопротивление между внешним слоем и слоем земли бесконечно (и, соответственно, полное сопротивление), что означает, что ток не проходит прямо на подложку через сосредоточенную емкость. Когда ток переходит на слой земли, он идет по пути наименьшего сопротивления обратно к переходному отверстию. Обратите внимание, что этот путь наименьшего сопротивления является кратчайшим расстоянием (прямая желтая линия) между двумя переходными отверстиями.
Возвратный путь тока на плате для постоянного тока
Для изменяющихся со временем сигналов (будь то импульс, цифровой или аналоговый сигнал) ситуация иная. Поскольку напряжение и ток меняются со временем, сигнал может наводить ток смещения через сосредоточенную емкость в подложке, и этот ток затем будет идти в слое земли. Активное сопротивление не изменяется с частотой, в отличие от реактивного сопротивления, образованного емкостью подложки. Ток концентрируется под трассой сигнала, которая соответствует пути наименьшего сопротивления.
Возвратный путь тока в плате для изменяющихся со временем токов
Обратите внимание, что желтые линии, показанные на виде сверху, несколько смещены от трассы сигнала для более ясного представления, и вы можете видеть разницу между этими двумя случаями. Очевидно, ситуация усложняется при большем количестве трасс, компонентов и экранных слоев в плате. На самом деле, возвратный ток имеет примерно гауссово распределение под трассой на высоких частотах (мегагерцы и выше). На средних частотах (десятки килогерц) здесь всё ещё будет некоторый ток, который идет по пути постоянного тока. Посмотрите статью Брюса Арчамбо (Bruce Archambeault) (рисунки 3-5), чтобы понять, что происходит на средних частотах.
Что насчет возвратных путей смешанных сигналов?
В платах смешанного типа, управление возвратными путями становится еще более важным, поскольку необходимо устранить наведение токов в аналоговой части платы цифровыми сигналами. Разделение топологии на аналоговую и цифровую части имеет большое значение для уменьшения перекрестных помех смешанных сигналов. Тем не менее, всё ещё необходимо прилагать усилия для определения возвратного пути в плате, чтобы предотвращать влияние сигнала любого из типов на чувствительные компоненты. Франческо Подерико (Francesco Poderico) привел отличный урок по тому, как определять возвратные пути в платах смешанного типа в недавней статье.
Если вы разбираетесь в анализе топологии своих проектов, то вам, скорее всего, не нужно запускать моделирование только для того, чтобы определить возвратные пути. Тем не менее, инструменты моделирования и 2D/3D-анализаторы полей всё ещё могут быть полезными и их можно использовать для проверки конструктивных решений и работы различных цепей на плате.
Благодаря мощным средствам проектирования и анализа плат Altium Designer вы можете проводить анализ всех аспектов схем и плат и устранять потенциальные проблемы целостности сигналов, которые возникают в сложных конструкциях плат. Эти средства являются частью унифицированного ядра проектирования, что позволяет проводить важные проверки правил в процессе проектирования. В вашем распоряжении также находится полный набор инструментов планирования производства и формирования документации – вс` в рамках единой платформы.
Вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли средствах создания схем, конструирования и анализа. Поговорите с экспертом Altium, чтобы узнать больше.
SamsPcbGuide, часть 4: Трассировка сигнальных линий. Минимизация индуктивности
Мир, трассировка печатной платы, май. Потому что трассировка печатной платы — это труд. И эта статья открывает целый блок, цель которого дать правильные инструменты для этой задачи. В ней обосновывается важность контроля траектории возвратного тока и минимизации индуктивности контура тока критических сигнальных линий, а также даются рекомендации по их оптимальной трассировке.
Как уже говорилось в предыдущих статьях цикла, в процессе разработки печатной платы должны учитываться возможности доступной технологии её производства. При этом под «доступностью» здесь следует понимать «доступность в заданных временных, финансовых и организационных рамках». Технологические ограничения особенно важны на этапе трассировки печатной платы. Поэтому перед началом трассировки рекомендуется изучить технологические нормы предполагаемого завода-изготовителя и создать в используемой САПР набор правил, выполнение которых будет автоматически контролироваться при трассировке печатной платы. Сразу оговорим, что хотя современные САПР и предлагают средства автоматической трассировки печатной платы, они в данной статье рассмотрены не будут и в общем случае к использованию не рекомендуются. Только для относительно простого проекта с хорошим размещением компонентов и продуманным набором правил эти средства позволяют получить качественную топологию.
Не забываем про возвратный ток
Трассировка печатной платы – процесс, при котором разработчик задаёт пути протекания токов в слоях металлизации печатной платы. В электрических цепях токи текут по замкнутым траекториям – контурам – от положительного полюса источника напряжения к отрицательному. Поэтому необходимо понимать, что прямому току, текущему от источника напряжения к нагрузке, всегда соответствует возвратный ток, текущий от нагрузки обратно к источнику. Эта пара токов образует замкнутый контур, контроль параметров которого, особенно в случае высокочастотных сигналов, является основной задачей разработчика. Большое количество ошибок и проблем с ЭМС и ЭМИ печатных плат связано именно с тем, что разработчик не анализирует траектории и взаимное влияние возвратных токов. На рис. 1 представлен типовой контур протекания тока сигнальной линии, а цветным прямоугольником выделен участок этого контура, которому обычно уделяется большая часть внимания разработчика, тогда как оставшаяся часть контура иногда остаётся предоставленной сама себе. На рисунке также отражён тот факт, что интегральные микросхемы не являются источниками электрической энергии. Они выполняют функцию сложных ключевых элементов, тогда как источниками энергии служат батареи, конденсаторы подсистемы питания, а также внешние относительно печатной платы источники.
Когда траектория возвратного тока не задана разработчиком, она определяется топологией платы (прежде всего общего провода) и законами физики (как, впрочем, и всегда) – возникает распределение плотности тока по траекториям в обратной зависимости от их импеданса. В общем случае это распределение аналитически не выражается, однако для простых случаев решения существуют. Во второй статье цикла приводилась рекомендация располагать сигнальные слои вблизи сплошного слоя земли или питания. В такой конфигурации распределение возвратного тока в опорном слое для низкочастотного сигнала близко к равномерному (рис. 2А), так как при расширении области протекания тока импеданс, определяемый резистивной составляющей, падает. С повышением частоты определяющим становится влияние реактивной составляющей и минимальной индуктивностью обладает траектория, проходящая под сигнальной дорожкой, так как площадь петли при этом минимальна (рис. 2Б, см. первую статью). Аналитическую оценку плотности распределения возвратного тока тонкой (ширина w ≤ h) микрополосковой линии даёт следующая формула (x – расстояние от геометрического центра линии, h — высота над опорным слоем):
Такое распределение обеспечивает минимальное значение индуктивности, то есть для всех частот, для которых омическое сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с реактивным, оно будет описываться данной формулой. Анализ распределения показывает, что в полосе ±h сосредоточено 50% тока, а в полосе ±3h – 80% тока.
Важно понимать, что реальные сигналы состоят из набора частот, имеющих некоторое спектральное распределение, при этом они чаще всего имеют шумовую часть, спектр которой может значительно отличаться от спектра самого сигнала. Например, в «низкочастотной» линии питания могут возникать значительные высокочастотные импульсные помехи при переключении цифровых микросхем. Таким образом, для низкочастотных составляющих сигнала возвратный ток распределён равномерно в широкой области вдоль кратчайшего пути, а для высокочастотных (f≳100 кГц) – сосредоточен в узкой области в максимальной близости от прямого тока.
Избегаем вырезов в опорном слое
Любое отклонение в распределении тока от оптимального приводит к увеличению индуктивности контура тока. Отклонение возникает в случае наличия вырезов (англ. split, slot, gap) в опорном слое, причиной которых могут стать сквозные механические и переходные отверстия, ряд переходных отверстий или выводов разъёма, сигнальная дорожка в опорном слое (рис. 3). Говард Джонсон в [2, раздел 5.3] приводит оценку индуктивности, вносимой узким разрывом длиной D:
где w – ширина дорожки, влияние ширины самого разрыва мало. Для сигнальной дорожки шириной w = 0,2 мм при разрыве длиной D = 1 см увеличение индуктивности составит ∆L1 ≈ 8 нГн. Для сравнения, если бы сигнальная дорожка была проведена вокруг разрыва, то её длина увеличилась бы в среднем на D, что в свою очередь при высоте дорожки над опорным слоем h = 0,25 мм привело бы к вдвое меньшему увеличению индуктивности:
Минимизируем индуктивность
Паразитная индуктивность есть у каждого элемента печатной платы – дорожки, переходного отверстия, сплошных слоёв, у паяных соединений, выводов микросхем, микропроволочной разварки. Почему важно минимизировать паразитную индуктивность критических (агрессивные источники высокочастотных помех и чувствительные слаботочные аналоговые цепи) линий? Достаточно вспомнить несколько формул, в которые индуктивность входит как параметр: формулу, связывающую поток магнитного поля и силу тока в проводнике
формулу, связывающую ЭДС индукции при изменении тока в проводнике
формулы частоты резонанса
и добротности LC-контура
Критически важно выполнять разводку высокочастотных сигнальных линий, минимизируя индуктивность контура, что достигается за счёт:
В случае отсутствия возможности устранить протяжённый разрыв в опорном слое под сигнальной линией, рекомендуется в максимальной близости с сигнальной линией расположить хотя бы один керамический конденсатор (англ. stitching capacitor), обеспечивающий путь возвратного тока через разрез. Однако с ростом частоты паразитная индуктивность конденсатора и его соединений с опорным слоем эффективность решения падает.
Оптимизируем переходы между слоями
Отдельного рассмотрения требует важный вопрос перехода дорожки между сигнальными слоями, потому что не всегда возможно исключить перекрестия для всех критических сигналов. На рис. 4 показываются пути прямых и возвратных токов для различных вариантов перехода между слоями. На рисунке условно показано влияние скин-эффекта: возвратные токи текут в поверхностном слое проводника. По увеличению количества красных стрелок можно судить об увеличении общей индуктивности пути, к которой прибавляется индуктивность переходных отверстий, а в случае различающихся опорных слоёв и индуктивность паяных соединений и последовательная индуктивность конденсатора (англ. equivalent series inductance, ESL). Кроме того, в случае опорных слоёв разного потенциала высокочастотная часть возвратного тока течёт в виде токов смещения (красные пунктирные стрелки). Помимо проблем с целостностью сигнала это приводит к возникновению шумов в данной цепи питания и повышению уровня ЭМИ [3].
250 МГц, и только после 2 ГГц распределённая ёмкость печатной платы обеспечивала достаточно низкий импеданс перехода между опорными слоями, чтобы уровень ЭМИ отличался мало. Эксперимент показывает важность исключения переходов между сигнальными слоями для высокочастотных линий.
В случаях, когда избежать перехода невозможно, рекомендуются следующие варианты в порядке приоритета:
Смена между более, чем двумя слоями для критических сигналов не рекомендуется. Предпочитаемый опорный слой в первых двух вариантах – слой земли. Если опорным слоем является слой питания, то необходимо обеспечить низкий импеданс подсистемы питания в полосе спектра сигнала. Заметим, что чаще всего около микросхем расположено достаточно большое количество керамических конденсаторов, поэтому смена слоя сигнальной дорожкой вблизи от приёмника/передатчика наиболее оптимальна и в лучшем случае не потребует размещения дополнительных компонентов.
В сложных печатных платах множество сигнальных линий и выполнить указанные в данной статье рекомендации для всех сигналов не представляется возможным, особенно учитывая высокие требования к габаритам конечных изделий. Именно поэтому необходимо выделить группу критических высокочастотных и чувствительных сигналов и начать трассировку именно с них. При этом расположение компонентов, связанных с этой группой, должно обеспечивать возможность оптимальной разводки критических сигналов. Задача минимизации индуктивности контура тока – это лишь один из аспектов трассировки сигнальных линий, в следующих статьях цикла будут рассмотрены техники разводки и схемы согласования, снижающие отражения и перекрёстные помехи в линиях.
Литература
[1] Holloway C.L., Kuester E.F. «Closed-Form Expressions for the Current Density on the Ground Plane of a Microstrip Line, with Applications to Ground Plane Loss». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 43, no. 5, May 1995.
[2] Johnson H. «High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic», Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B., etc. «EMI Resulting from Signal Via Transitions through the DC Power Bus», IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2000.
[4] Ott, H.W. «Electromagnetic Compatibility Engineering», Wiley, 2009.
Статья была впервые опубликована в журнале «Компоненты и технологии» 2018, №2. Публикация на «Geektimes» согласована с редакцией журнала.
Возвратный ток что это
Линии высокоскоростных дифференциальных интерфейсов, например, PCIe, SATA, USB, HDMI и прочие должны иметь согласованное значение дифференциального импеданса (Z differential ). Это импеданс между двумя сигнальными проводниками дифференциальной пары. Кроме того, каждый из проводников дифференциальной пары характеризуется собственным импедансом относительно слоя заземления. При выборе геометрии дорожек дифференциальный импеданс имеет более высокое значение, чем индивидуальный импеданс каждой из линий. Дифференциальный импеданс всегда оказывается как минимум в два раза меньше (формула 1):
Z differential SingleEnded (1)
Сигнальные проводники допускают определенную погрешность импеданса (например, 50 Ом ± 15%). Однако при выполнении трассировки необходимо максимально точно выдерживать импеданс. Это обеспечивает большую гибкость при производстве печатных плат. Дело в том, что при производстве наблюдается дополнительное отклонение импеданса в разных партиях плат. Если полученный при трассировке импеданс находится в середине допустимого диапазона, то это гарантирует минимальное количество брака.
Рис. 1. Геометрия микрополосковых линий
Если проводники расположены на внутреннем слое печатной платы, то они могут иметь две опорные плоскости металлизации, что позволит ограничить распространение электромагнитного излучения и повысить устойчивость ко внешним источникам шума. Такие проводники называют полосковыми линиями. На рис. 2 показана геометрия полосковых линий. При проведении расчета импеданса необходимо учитывать толщину изоляционных слоев H1 и H2. H1 – толщина основания. H2 – толщина препрега. Толщина проводников внутренних слоев напрямую определяет толщину препрега H2. Показатели диэлектрической проницаемости основания и препрега могут незначительно различаться. Многие инструменты расчета импеданса способны учитывать эту особенность.
Рис. 2. Геометрия полосковых линий
В таблице 1 показаны типовые размеры микрополосков для четырехслойного стека печатной платы.
Таблица 1. Параметры микрополосковых линий для четырехслойной платы
Импеданс ZSingleEnded, Ом
Импеданс дифференциальной пары ZDifferential, Ом
В таблице 2 показаны типовые размеры микрополосков для шестислойнного стека печатной платы.
Таблица 2. Параметры микрополосковых линий для шестислойной платы
Импеданс ZSingleEnded, Ом
Импеданс дифференциальной пары ZDifferential, Ом
В таблице 3 показаны типовые размеры микрополосковых и полосковых линий для восьмислойного стека печатной платы.
Таблица 3. Параметры микрополосковых и полосковых линий для шестислойной платы
Импеданс ZSingleEnded, Ом
Импеданс дифференциальной пары ZDifferential, Ом
Размещение компонентов и оптимизация принципиальной схемы
Важность правильного размещения компонентов на печатной плате зачастую недооценивается разработчиками. Однако, как показывает практика, оптимальная расстановка элементов напрямую связана с решением проблемы возвратных токов. Если сигнальный проводник пересекает слой земли, то следует сначала проверить, действительно ли это неизбежно. Очень часто лучшим решением становится перемещение компонента.
При трассировке печатной платы трассировка проводников высокоскоростных цепей должна производиться в первую очередь. Некоторые сигнальные линии допускают использование ограниченного количества межслойных переходов. Это означает, что количество переходных отверстий должно быть минимальным. При размещении компонентов следует избегать пересечений проводников высокоскоростных цепей. В некоторых случаях даже имеет смысл разместить интерфейсную микросхему на другой стороне печатной платы. Некоторые интерфейсы, такие как PCIe, поддерживают смену полярности. Говоря простым языком, PCIe разрешает менять контакты положительного и отрицательного сигналов местами, чтобы избежать пересечения проводников дифференциального сигнала (рис. 3).
Рис. 3. Следует изменять полярность сигналов, если интерфейс это позволяет
Некоторые интерфейсы, использующие несколько дифференциальных линий, позволяют менять их местами. Это также помогает избежать пересечения проводников на печатной плате (рис. 4). Следует отметить, что изменение полярности сигналов в дифференциальной паре является обязательной функцией интерфейса PCIe, однако возможность менять дифференциальные пары местами определяется функционалом PCIe-контроллеров и конкретных микросхем, используемых в устройствах. По этой причине прежде чем менять линии местами, необходимо ознакомиться с документацией на конкретную микросхему.
Рис. 4. Возможность менять дифференциальные пары местами помогает избежать пересечения проводников на печатной плате
При размещении компонентов следует учитывать, что для проводников высокоскоростных интерфейсов обычно требуется больше места на плате, чем для простых проводников. Если на плате используются разные типы сигналов, например, аналоговые и высокоскоростные цифровые, то необходимо с особой осторожностью отнестись к размещению компонентов. При создании проводящего рисунка печатной платы иногда приходится выполнять несколько вариантов трассировки, чтобы получить оптимальный результат.
Цепи питания
Потребление цифровых схем имеет импульсный характер. Импульсный ток может быть относительно большим и содержать высокочастотные составляющие. Если проводники питания имеют значительную длину, то возникающие импульсы тока приводят к появлению высокочастотного шума, который накладывается на другие сигналы. Поскольку реальные проводники не идеальны и характеризуются паразитным сопротивлением и паразитной индуктивностью, генерируемый высокочастотный шум будет распространяться по цепям питания (рис. 5). Другая проблема заключается в том, что паразитная индуктивность проводников ограничивает импульсы тока, что вызывает просадки напряжения питания. Для решения этой проблемы необходимо применять развязывающие конденсаторы, подключенные к выводам питания цифровых микросхем. Развязывающие конденсаторы действуют в качестве резервных локальных источников питания и обеспечивают протекание значительных импульсных токов в течение коротких промежутков времени.
Рис. 5. Использование развязывающих конденсаторов
В идеальном случае индивидуальные развязывающие конденсаторы должны быть размещены возле каждого вывода питания интегральной схемы. Если контакты питания находятся близко друг к другу, то иногда допускается использование одного общего конденсатора для нескольких выводов. Расстояние между конденсатором и выводом питания должно быть минимальным. Кроме того, рекомендуется использовать проводники максимальной ширины и минимальной длины. Следует уделить внимание анализу протекания тока. Предпочтительно, чтобы ток сначала проходил развязывающий конденсатор, а затем попадал на вывод питания.
Необходимо использовать достаточное количество переходных отверстий для подключения к слоям питания. Как правило, число переходных отверстий выбирается из расчета одно отверстие на один ампер тока. Если развязывающие конденсаторы расположены на другой стороне печатной платы, и ток должен проходить через сквозные отверстия, также необходимо учитывать пиковый ток. Кроме того, нельзя забывать о возвратном токе. Количество переходных отверстий к слою земли должно быть равно количеству переходных отверстий к слою питания.
Рис. 6. Развязывающие конденсаторы следует размещать максимально близко к выводам питания
Известно, что конденсаторы большой емкости имеют малую частоту собственного резонанса, что приводит к ограничению скорости, с которой они способны передавать энергию в нагрузку при возникновении импульсов тока. В то же время энергии, накопленной в конденсаторе малой емкости, может не хватить для обеспечения импульсов тока нагрузки.
По этой причине чаще всего для выполнения развязки по питанию используется комбинация из конденсаторов большой и малой емкости (например, 100 нФ + 10 мкФ). При этом конденсатор меньшей емкости должен располагаться ближе к выводу питания, чем конденсатор большей емкости.
Если на основной плате размещаются импульсные повышающие или понижающие преобразователи, следует убедиться, что их расположение соответствует рекомендациям производителя.
Иногда следует ограничивать скорость включения питания. На рис. 7 предложена простая схема плавного включения питания. Конденсатор C1 и резистор R1 ограничивают скорость нарастания напряжения. Номиналы эти компонентов должны быть выбраны с учетом существующих требований. Рекомендуется поместить развязывающий конденсатор C2 вблизи коммутирующего транзистора.
Рис. 7. Простая схема плавного включения питания
Из-за процесса металлизации переходных отверстий толщина меди на внешних слоях печатной платы обычно больше, чем на внутренних, и достигает 35 мкм. По этой причине удельное сопротивление внешних проводников оказывается в два раза меньше – около 0,5 мОм. Переходные отверстия также имеют собственное сопротивление, что приводит к ограничению токовой нагрузки. При расчетах обычно полагают, что на каждый 1 А тока должно приходиться одно переходное отверстие.
Переходные отверстия сигнальных линий приводят к появлению вырезов в металлизации слоев питания и земли. Группы близко расположенных отверстий создают места повышенной плотности тока. Эти области становятся точками перегрева. Крайне важно избегать их возникновения. Зачастую решить проблему можно с помощью равномерного размещения переходных отверстий, чтобы между ними оставалось достаточно места для протекания тока, как это показано на рис. 8.
Рис. 8. Следует избегать появления узких мест, приводящих к перегревам
Трассировка изгибов печатных дорожек
При трассировке высокоскоростных сигналов количество изгибов печатных дорожек должно быть сведено к минимуму. При необходимости следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90° (рис. 1).
Рис. 1. При выполнении трассировки следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90°
При работе с высокоскоростными интерфейсами часто требуется выравнивание длин проводников. Для этой цели применяют трассировку в виде меандра (рис. 2). Необходимо, чтобы расстояние между проводниками меандра было как минимум в 4 раза больше ширины дорожки, а длина перпендикулярных частей меандра должна быть в 1,5 раза больше ширины дорожки. Во многих САПР эти условия не контролируются автоматическими инструментами проверки платы (DRC), так как трассы являются частью одной и той же сети.
Рис. 2. При выполнении трассировки необходимо контролировать шаг и параметры сегментов меандра
Трассировка высокоскоростных линий
Рис. 3. Для минимизации перекрестных помех необходимо максимально разносить проводники высокоскоростных линий
Трассировка отводов
Длинные отводы от основной дорожки могут действовать как антенны и, следовательно, приводить к проблемам, связанным с электромагнитной совместимостью (ЭМС). Кроме того, отводы создают отражения, которые отрицательно влияют на целостность сигналов. Такие проводники обычно используются для подключения подтягивающих резисторов. Если возникает необходимость в подобной подтяжке, то следует вместо отводов использовать одну дорожку, которая будет последовательно соединять все резисторы (рис. 4).
Рис. 4. Вместо отводов большой длины стоит использовать одну дорожку, которая будет последовательно соединять компоненты
Переходные отверстия также могут выступать в качестве отводов. Например, на плате с шестью слоями, когда сигнал переходит со слоя 1 на слой 3, сквозное переходное отверстие создает отвод, который тянется от слоя 3 до слоя 6. Эту проблему можно решить с помощью несквозных (слепых) переходных отверстий. Однако технология слепых переходных отверстий является довольно дорогостоящей и поддерживается далеко не всеми производителями печатных плат. По этой причине очень часто единственным решением становится минимизация числа переходов для высокоскоростных линий.
Вырезы на слое земли под крупными контактами площадками
Импеданс печатного проводника зависит от его ширины и расстояния до опорной плоскости земли. Широкий проводник имеет более низкий импеданс, чем тонкий проводник той же длины. Аналогичные выводы справедливы для соединительных разъемов и контактных площадок. Импеданс контактной площадки будет значительно меньше, чем у подключенной к ней дорожки. Это различие в импедансе может вызвать отражения, что негативно скажется на целостности сигнала. Следовательно, под разъемами и массивными контактными площадками необходимо выполнять вырез в металлизации опорного слоя земли, вместо него активную плоскость земли необходимо располагать на другом слое (рис. 5). При этом основной и дополнительный опорные слои следует объединять с помощью переходных отверстий.
Рис. 5. Под крупной контактной площадкой необходимо делать вырез в металлизации слоя земли
Переходные отверстия являются еще одной причиной неоднородности импеданса. Чтобы свести к минимуму негативный эффект, необходимо удалить неиспользуемую металлизацию переходных отверстий на внутренних слоях (рис. 6). Это можно сделать на этапе проектирования печатной платы средствами САПР, если такая функция поддерживается, либо попросить об этом производителя печатной платы.
Рис. 6. Неиспользуемая металлизация переходных отверстий должна быть удалена
Трассировка дифференциальных линий
Проводники высокоскоростных дифференциальных пар необходимо располагать параллельно на определенном постоянном расстоянии друг от друга. Это расстояние выбирается исходя из величины требуемого импеданса. Дифференциальные проводники должны быть симметричными. При их трассировке следует минимизировать число различных неоднородностей (рис. 7).
Рис. 7. Проводники высокоскоростных дифференциальных пар должны быть симметричными и параллельными
Не допускается размещение каких-либо компонентов или переходных отверстий между проводниками дифференциальных пар, даже если сами проводники остаются параллельными и симметричными (рис. 8). Компоненты и переходные отверстия между дифференциальными проводниками могут приводить к проблемам с ЭМС и создавать неоднородности импеданса.
Рис. 8. Между дифференциальными парами нельзя размещать компоненты или переходные отверстия
Некоторые высокоскоростные дифференциальные интерфейсы требуют последовательных разделительных конденсаторов. Необходимо размещать такие конденсаторы симметрично (рис. 9). Конденсаторы и их контактные площадки создают неоднородности импеданса. При необходимости следует применять малогабаритные корпуса 0402. Использование корпусов 0603 также иногда допустимо. Более крупные корпуса, например, 0805 или C-pack, применять не рекомендуется.
Рис. 9. Необходимо размещать разделительные конденсаторы симметрично
Переходные отверстия создают существенную неоднородность импеданса дифференциальных линий. Необходимо отказаться от межслойных переходов или хотя бы минимизировать их количество. Переходные отверстия следует размещать симметрично (рис. 10).
Рис. 10. Переходные отверстия следует размещать симметрично
Для согласования импеданса необходимо, чтобы проводники дифференциальной линии располагались на одном слое и имели одинаковое число переходов (рис. 11).
Рис. 11. Проводники дифференциальной линии должны располагаться на одном слое и иметь равное число переходов
Согласование длин проводников
Высокоскоростные интерфейсы предъявляют жесткие требования к временным задержкам сигналов. Это особенно критично для высокочастотных параллельных шин, в которых все сигналы должны приходить практически одновременно, чтобы соответствовать требованиям ко времени установки и удержания приемника. Проектировщик печатной платы должен убедиться, что эти требования выполняются. Для этого необходимо согласовать длину проводников. Для расчета максимальной разности длин дорожек следует оценить скорость распространения сигналов на печатной плате. Расчет скорости можно производить по формуле 3:
Согласование времен задержек сигналов высокочастотных дифференциальных линий должно быть очень жестким. Поэтому различия в длине проводников необходимо устранить, например, с помощью трассировки в виде меандра. Геометрия таких участков должна быть тщательно подобрана, чтобы уменьшить неоднородность импеданса. На рисунке 12 показан пример трассировки меандра.
Рис. 12. Предпочтительная геометрия меандра
Меандр необходимо помещать рядом с точкой, где начинается рассогласование длин проводников дифференциальной пары (рис. 13). Это гарантирует, что положительная и отрицательная составляющие сигнала будут распространяться синхронно большую часть пути.
Рис. 13. Добавление корректирующего меандра в точку, где начинается рассогласования длин проводников
Изгибы являются типичной причиной рассогласования длин. Как было сказано выше, компенсацию в виде участка меандра следует располагать рядом с изгибом, на расстоянии не более 15 мм (рис. 14).
Рис. 14. Согласование длин проводников рядом с изгибом дорожек
Иногда два последовательных изгиба компенсируют друг друга. Например, дополнительное согласование длин не требуется, если изгибы удалены друг от друга менее чем на 15 мм (рисунок 15). Как было сказано выше, сигналы не должны распространяться асинхронно на расстояние более 15 мм.
Рис. 15. Изгибы проводников могут компенсировать друг друга
Проводники дифференциальной пары могут быть разделены на сегменты разъемами, разделительными конденсаторами или переходными отверстиями. Каждый такой сегмент должен быть согласован индивидуально. На рис. 16 представлен пример с двумя изгибами, которые могли бы компенсировать друг друга, но, поскольку между ними есть переходные отверстия, каждый изгиб нужно компенсировать по отдельности. Это гарантирует синхронное распространение положительных и отрицательных сигналов через переходные отверстия. Выполнение данного правила обычно приходится проверять вручную, поскольку автоматизированная система проверки ошибок (DRC) в большинстве САПР контролирует только разницу полной длины проводников.
Рис. 16. Разница в длине должна компенсироваться на каждом отдельном участке
Как было сказано выше, скорость сигналов отличается для разных слоев. Поскольку получаемую разницу трудно учесть и скомпенсировать, рекомендуется располагать проводники, требующие согласования, на одном слое. Например, LVDS-интерфейс требует жесткого согласования проводников дифференциальных пар данных и проводников дифференциального тактового сигнала. Поэтому настоятельно рекомендуется трассировать эти проводники в одном слое (рис. 17).
Рис. 17. Дифференциальные сигналы одного и того же интерфейса должны проходить в одном слое
Стоит иметь в виду, что некоторые САПР при расчете учитывают длину проводников, находящихся внутри контактной площадки. На рис. 18 показано два примера, идентичных с электрической точки зрения. На левом рисунке участки дорожек, расположенных внутри контактной площадки, имеют разную длину. В реальности сигналы не используют эти внутренние сегменты. Тем не менее, некоторые САПР учитывают их при расчете полной длины проводника, что приводит к появлению расчетной разницы длин между дорожками дифференциальной пары. Чтобы избежать подобных ошибок, необходимо самостоятельно проверять, что сегменты, расположенные внутри контактных площадок, имеют одинаковую длину. Аналогичная ситуация складывается при учете высоты переходных отверстий. Если количество переходов одинаково, то это не повлияет на точность вычисления длины проводников внутри одной дифференциальной пары. Однако если требуется согласование длин нескольких дифференциальных пар, то проблема учета переходных отверстий становится актуальной и требует особой аккуратности.
Рис. 18. Некоторые САПР неверно рассчитывают длину проводников из-за учета сегментов, расположенных внутри контактных площадок
Подключение проводников дифференциальных пар к контактам и выводам по возможности также следует выполнять симметричным, чтобы избежать рассогласования длин (рис. 19).
Рис. 19. Подключение проводников дифференциальных пар следует делать симметричным
Если пространство между контактами позволяет, то лучше добавить небольшую петлю к дорожке с меньшей длиной вместо того, чтобы использовать согласующий меандр (рис. 20).
Рис. 20. При необходимости лучше использовать дополнительную петлю вместо согласующего меандра
Работа с возвратными токами
Если при разработке печатной платы не уделять должного внимания возвратным токам, то это может обернуться возникновением дополнительных шумов и проблемами с ЭМС. Путь протекания возвратных токов должен прорабатываться одновременно с трассировкой самого сигнала. Возвратные токи низкочастотных сигналов распространяются по кратчайшему пути – пути с наименьшим сопротивлением. При этом возвратный ток высокочастотных сигналов протекает по пути минимального импеданса и пытается следовать за исходным сигналом (рис. 21). Возвратные токи должны учитываться и для дифференциальных сигналов.
Рис. 21. Возвратный ток высокочастотных сигналов стремится следовать по пути исходного сигнала
Печатный проводник не должен проходить над вырезами в слое земли, так как в этом случае возвратный ток не сможет в точности повторить путь исходного сигнала. Если плоскость земли разделена, то лучше всего прокладывать дорожку между источником и приемником сигнала в обход выреза (рис. 22). Если пути прямого и возвратного тока отличаются, то область ведет себя как рамочная антенна.
Рис. 22. Печатный проводник не должен проходить над разрывами в слое земли
Если проводник должен пройти над двумя различными опорными полигонами, то эти полигоны следует соединить с помощью конденсатора (рис. 23). Конденсатор позволит возвратным ВЧ-токам перемещаться из одного полигона в другой. Конденсатор необходимо поместить в непосредственной близости от дорожки, чтобы расстояние между прямым и обратным каналом было минимальным. Типовое значение емкости объединительного конденсатора составляет 10…100 нФ.
Рис. 23. В случае необходимости следует объединить полигоны с помощью конденсатора
В общем случае настоятельно рекомендуется избегать трассировки высокочастотных сигналов над вырезами в опорных слоях и полигонах (рис. 24). Если же это неизбежно, то необходимо использовать объединительные конденсаторы для минимизации проблем, связанных с разделением пути протекания прямых и возвратных токов.
Рис. 24. Для согласования пути протекания прямого и возвратного токов следует использовать объединительный конденсатор
Вырезы в слое земли могут быть образованы близко расположенными переходными отверстиями. Это необходимо иметь в виду при трассировке высокочастотных сигналов. Следует избегать возникновения больших неметаллизированных зон на опорных слоях. Для решения этой проблемы зачастую будет достаточно грамотно распределить переходные отверстия (рисунок 25). Иногда, чтобы устранить огромный вырез на опорном слое, лучше пожертвовать некоторыми переходами, относящимися к цепям питания и земли.
Рис. 25. Следует избегать вырезов, образованных переходными отверстиями
Путь возвратного тока должен выбираться, исходя из положения источника и приемника сигнала. На рис. 26 представлен пример удачной (справа) и неудачной (слева) трассировок. На рисунке слева используется единственное переходное отверстие, поэтому возвратный ток идет не по слою земли, как хотелось бы, а по проводникам на верхнем слое. По этой причине лучше использовать правый вариант трассировки и размещать переходные отверстия как возле источника сигнала, так и возле приемника. В таком случае возвратный ток будет распространяться преимущественно по слою земли.
Рис. 26. Различие путей возвратных токов при разном размещении переходных отверстий
Если требуется, чтобы возвратный ток протекал по слою питания, для этого необходимо создать соответствующие условия. У источника и приемника сигналов опорным является слой земли. Чтобы возвратный ток мог попасть на слой питания, необходимо использовать объединяющие конденсаторы (рисунок 27). Если питание приемника и источника поступает напрямую с опорного слоя, то в качестве объединительных конденсаторов могут выступать обычные развязывающие конденсаторы, но только в том случае, если они расположены близко к точке входа/выхода сигнала. Типовое значение емкостей объединительных конденсатора составляет 10…100 нФ.
Рис. 27. Чтобы возвратный ток протекал по слою питания, необходимо использовать объединяющие конденсаторы
Если сигнальная дорожка переходит на другой слой, то для нее изменяется и опорный слой земли. Следовательно, чтобы избежать проблем с возвратными токами, следует установить переходные отверстия между опорными слоями земли в максимальной близости от точки перехода (рис. 28). Это позволяет возвратному току беспрепятственно переходить между слоями земли. Для дифференциальных сигналов переходные отверстия между слоями земли следует располагать симметрично.
Рис. 28. Переходные отверстия между опорными слоями земли следует располагать в максимальной близости от точки перехода сигнального проводника
Если при переводе сигнального проводника на другой слой вместо слоя земли опорным становится слой питания, то чтобы избежать проблем с возвратными токами, следует использовать объединительные конденсаторы (рис. 29). Это позволяет возвратному току беспрепятственно переходить между слоем земли и слоем питания. Для дифференциальных сигналов объединяющие конденсаторы необходимо размещать симметрично.
Рис. 29. Использование объединительных конденсаторов при смене опорного слоя
Рекомендуется избегать трассировки высокоскоростных сигналов на границе опорных плоскостей или вблизи границ печатной платы (рис. 30). В противном случае это может отрицательно повлиять на согласование импедансов цепей.
Рис. 30. Рекомендуется избегать трассировки высокоскоростных сигналов на границе опорных плоскостей или вблизи границ печатной платы
Аналоговое и цифровое заземление
Аналоговые схемы могут быть очень чувствительны к цифровому шуму. Существуют два основных пути проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы. Первый определяется емкостной и индуктивной связью между проводниками. Эта связь может быть минимизирована за счет физического разнесения дорожек. Следует проявлять особую осторожность, если проводники аналоговых и цифровых сигналов проходят параллельно на длинном участке платы. В таких случаях следует разносить дорожки максимально далеко. Рекомендуется располагать чувствительные аналоговые схемы на максимальном удалении от цепей тактирования и мощных импульсных схем, например, источников питания.
Второй путь проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы определяется индуктивной связью по цепи питания. Данная проблема демонстрируется на рис. 31. Если цифровая и аналоговая части схемы имеют общий путь протекания возвратного тока источника питания, то из-за наличия паразитного сопротивления и индуктивности проводников цифровой импульсный шум будет воздействовать на аналоговую часть схемы. Для решения проблемы необходимо разделять пути протекания возвратных токов для аналоговых и цифровых доменов, если это возможно.
Рис. 31. Следует разделять пути протекания возвратных токов аналоговых и цифровых частей схемы
Существует два подхода к разделению путей возвратных токов:
Оба подхода имеют свои преимущества, по этой причине сложно судить какое из решений лучше.
Физическое разделение аналоговой и цифровой земли
Рис. 32. При разделении земли следует ответственно подходить к расположению компонентов
Объединение аналоговой и цифровой земли необходимо выполнять в одной точке. В референсных схемах часто рекомендуется объединять земли с помощью ферритовых бусинок или резисторов с нулевым сопротивлением. Точка соединения цифровой и аналоговой земли должна быть расположена близко к интегральной схеме, которая использует как аналоговые, так и цифровые сигналы.
В схемах со смешанными сигналами и раздельным заземлением важно трассировать проводники таким образом, чтобы проводники цифровых сигналов не проходили над плоскостью аналоговой земли, а проводники аналоговых сигналов не пересекали плоскости цифровой земли (рис. 33). Эти домены должны быть полностью разделены.
Рис. 33. Проводники цифровых сигналов не должны пересекать плоскость аналогового заземления
Виртуальное разделение аналоговой и цифровой земли
Рассмотрим подход с виртуальным разделением аналоговой и цифровой земли. При таком подходе на принципиальной схеме отображается одна общая земля, а цифровой и аналоговый домены на печатной плате оказываются электрически не разделены. Хитрость заключается в том, чтобы при создании проводящего рисунка добиться такого эффекта, как будто эта граница существует. Очевидно, что в этом случае решающее значение будет иметь расположение компонентов. Их следует размещать только над соответствующими частями виртуальных плоскостей земли (рис. 34).
Рис. 34. При виртуальном разделении земли решающее значение имеет расположение компонентов
Виртуальная разделительная линия должна соблюдаться при трассировке сигналов. Проводникам цифровых и аналоговых сигналов не разрешается покидать свой домен (рис. 35). Граница раздела должна иметь простую форму, так как с электрической точки зрения не существует препятствий по проникновению цифровых токов в аналоговую часть схемы.
Рис. 35. Проводники цифровых сигналов не должны пересекать виртуальную линию разделения
При использовании подхода с виртуальным разделением земли трассировка печатной платы оказывается более сложной, так как ошибки разводки не обнаруживаются средствами автоматической проверки САПР (DRC). Если трассировка платы выполнена грамотно, то виртуальное разделение даст лучший результат, чем при использовании физического разделения цифровой и аналоговой земли.
Требования к трассировке высокоскоростных интерфейсов
Каждый интерфейс предъявляет конкретные требования к трассировке сигналов на печатной плате. В данной статье представлен обзор наиболее популярных высокоскоростных интерфейсов, которые можно найти в современных электронных устройствах. Предложенная информация является ориентировочной, для уточнения конкретных деталей следует обращаться к соответствующим стандартам.
Второй параметр касается согласования длин разных дифференциальных пар и определяет максимальное различие между длинами линии тактирования и линий данных либо между длинами других дифференциальных линий этого же интерфейса. Некоторые интерфейсы, например, PCIe, SATA и USB3.0, восстанавливают сигнал тактирования из сигналов данных. Следовательно, для них условие согласования длин проводников оказывается не столь жестким (например, 240 мм). В таких случаях не стоит слишком усердствовать при выравнивании длин дорожек, применение разводки в виде меандра может только добавить проблем. С другой стороны, есть интерфейсы, которые не имеют встроенной синхронизации (например, LVDS для ЖК-дисплеев). Трассировать такие интерфейсы нужно очень осторожно. При этом согласование длин проводников следует соблюдать достаточно жестко (например, 0,5 мм).
Как было показано в предыдущей части статьи, переходные отверстия создают разрыв импеданса и могут выступать в качестве неподключенных отводов. Поэтому при трассировке количество переходов должно быть минимальным. Конечно, в некоторых случаях без переходных отверстий обойтись не удается. По этой причине некоторые интерфейсы имеют ограничение по максимальному количеству переходов. В следующих разделах указывается ориентировочное количество переходных отверстий.
PCI Express
Интерфейс PCIe поддерживает инверсию полярности (таблица 1). Это означает, что прямой и инверсный сигналы дифференциальной пары можно менять местами, что зачастую помогает упростить компоновку печатной платы и избежать пересечения сигналов. Некоторые PCIe-устройства позволяют менять местами и отдельные дифференциальные линии.
Таблица 1. Требования к трассировке интерфейса PCIe
Gen1: 1,25 ГГц (2,5 Гт/с); Gen2: 2,5 ГГц (5 Гт/с);Gen3: 4 ГГц (8 Гт/с)