エンジニアは高速 PCB 設計について何を説明していますか?

ほとんどの PCB は、通常、高速デジタル設計に関連する何らかのタイプのシグナルインテグリティの問題のリスクがあると考えられています。高速 PCB の設計とレイアウトは、シグナルインテグリティ、パワーインテグリティ、および EMI/EMC の問題の影響を受けにくい回路基板設計の作成に重点を置いています。これらの問題を完全になくす設計はありませんが、これらの問題は無視できるレベルまで減らすことができ、最終製品でパフォーマンスの問題が発生することはありません。

回路図を作成し、ボードレイアウトへの移行を準備したら、適切なレイアウトと配線のために PCB 設計ツールの特定の機能を利用する必要があります。 PCB 設計ソフトウェアでは、レイヤスタック内の電源およびグランドプレーンのレイアウトを準備し、ルーティングのインピーダンス分布を計算し、スタックされた PCB 材料オプションを表示する機会があります。高速設計のほとんどの側面は、PCB スタックの設計と配線を中心に展開し、信号と電力の完全性を確保します。適切な ECAD ソフトウェアは、これらの分野での成功を確実にするのに役立ちます。

高速設計とは、高速デジタル信号を使用してコンポーネント間でデータを転送するシステムを指します。高速デジタル設計と、低速のデジタルプロトコルを使用する単純な回路基板との境界線はあいまいです。特定のシステムを「高速」として表す一般的な指標は、システムで使用されるデジタル信号のエッジレート (または立ち上がり時間) です。ほとんどのデジタル設計では、高速 (高速エッジレート) と低速 (低速エッジレート) の両方のデジタルプロトコルが使用されます。組み込みコンピューティングとモノのインターネットの今日の時代では、ほとんどの高速 PCB はワイヤレス通信とネットワーク用の RF フロントエンドを備えています。

すべての設計は回路図から始まりますが、高速 PCB 設計の主要部分は、相互接続設計、PCB スタック設計、および配線に焦点を当てています。最初の 2 つの領域で成功すれば、3 番目の領域で成功する可能性が高くなります。以下のセクションを読んで、高速設計を開始する方法と PCB 設計ソフトウェアの重要な役割を理解してください。

PCB スタックとインピーダンスを計画するx

高速回路基板用に作成する PCB スタックによって、インピーダンスと配線の容易さが決まります。すべての PCB 層には、高速信号、電源、およびグランドプレーン専用の層のグループが含まれます。レイヤーにレイヤーを割り当てるときは、次の点を考慮する必要があります。

回路基板のサイズとネットワーク数: 回路基板の大きさと、PCB レイアウトでルーティングする必要があるネットワークの数。物理的に大きな基板には、複数の信号層を使用せずに PCB レイアウト全体を配線するのに十分なスペースがある場合があります。

配線密度: 多くのネットワークがあり、回路基板のサイズが小さな領域に制限されている場合、表層の周りに配線するのに十分なスペースがない場合があります。したがって、より近くに配線する場合は、より多くの内部信号層が必要になります。小さい方に行く

インターフェースの数: バスの幅 (シリーズとパラレル) と回路基板のサイズによっては、各レイヤーに 1 つまたは 2 つのインターフェースのみを配線することが適切な戦略である場合があります。高速デジタルインターフェイスのすべての信号を同じレイヤーに保持して、すべての信号が一貫したインピーダンスと偏向を確認できるようにします。

低速および RF 信号: デジタル設計に低速のデジタルまたは RF 信号はありますか? その場合、これらは高速バスまたはコンポーネントに使用できる表面スペースを占有する可能性があり、追加の内層が必要になる場合があります。

パワーインテグリティ: パワーインテグリティの基礎の 1 つは、大規模な IC で必要とされる各電圧レベルに大きな電源層とグランドプレーンを使用することです。これらは隣接する層に配置して、デカップリングコンデンサを介して安定した電源をサポートするために高いプレーンキャパシタンスを確保するのに役立ちます。

PCB 材料のオプション、層、厚さ

PCB スタックを設計する前に、設計内のすべてのデジタル信号に対応するために必要な層の数を考慮してください。これを決定する方法は多数ありますが、これらの方法は、いくつかの数学的計算と、高速回路基板設計における過去の経験に依存しています。上記のレイヤー数を考慮するポイントに加えて、BGA/LGA フットプリントを持つ大型の高速 IC では、必要な回路基板のサイズを決定できます。 BGA ファンアウトを行う場合、各信号層は通常 2 ラインで配置でき、スタックを構築する際には電源層とグランド層が層数に含まれるようにします。

circuit board

FPGA の BGA ファンアウトは、高速設計の電源用に大きなポリゴンを持っています。

FR4 グレードの材料は、通常、コンポーネント間の配線が長すぎない限り、高速デジタル設計に使用できます。ルートが長くなりすぎると、高速チャネルでの損失が大きくなり、チャネルの受信側のコンポーネントが信号を回復できなくなる可能性があります。材料を選択する際に考慮すべき主な材料特性は、PCB ラミネートの損失正接です。チャネルの形状も損失を決定しますが、損失正接が低い FR4 ラミネートは通常、小さな回路基板から始めるのに適しています。

ラインが長すぎる場合は、高速信号のベースマテリアルとして、より専門的なマテリアルが必要になる場合があります。 PTFE ベースのラミネート、分散ガラスラミネート、またはその他の特殊な材料システムは、配線が長く低挿入損失が要求される大型の高速デジタルボードをサポートするのに最適です。小型高速 PCB 向けのエントリーレベルの高 Tg 積層材料の適切な組み合わせは 370HR です。 Megtron や Duroid ラミネートなどの大型回路基板には、適切な選択です。続行する前に、材料の選択と推奨されるラミネートが製造可能であることを製造元に確認してください。

インピーダンス制御

インピーダンスは、推奨されるスタックを作成し、製造元に確認した後にのみ決定できます。メーカーは、別の PCB 材料オプションや層の厚さなど、PCB スタックの変更を推奨する場合があります。使用するレイヤーの許可を得て、レイヤーの厚さが確定したら、インピーダンス値の計算を開始できます。

インピーダンスは通常、数式またはフィールドソルバーツールを使用した電卓を使用して計算されます。設計に必要なインピーダンスによって、伝送線路のサイズと近くの電源またはグランドプレーンからの距離が決まります。次のツールを使用して、伝送線路幅を決定できます。

IPC-2141 と Waddell の式: これらの式は、インピーダンス推定の開始点を提供し、より低い周波数で正確な結果を生成します。

2D/3D フィールドソルバーユーティリティ: フィールドソルバーは、高速プレート用に定義した伝送線路ジオメトリのマクスウェル方程式を解くために使用されます。

レイヤースタックマネージャーをフィールドソルバーと共に使用すると、銅の粗さ、エッチング、非対称ラインアライメント、差動ペアを考慮して、最も正確な結果が得られます。ルートのインピーダンス曲線が計算された後、ルートが必要なインピーダンスを持つように、ルーティングツールでデザインルールとして設定する必要があります。

高速ボードの伝送線路設計のインピーダンス計算。 Altium designer のレイヤスタックマネージャには、銅の粗さを計算するためのインピーダンス計算機が含まれています。

ほとんどの高速信号プロトコル (PCIe やイーサネットなど) は差動ペア配線を使用するため、配線幅と間隔を計算して特定の差動インピーダンスを設計する必要があります。フィールドソルバーツールは、あらゆるジオメトリ (マイクロストリップ、ストリップライン、コプレーナ) の差動インピーダンスを計算するための最適なツールです。フィールドソルバーユーティリティのもう 1 つの重要な結果は伝搬遅延です。これは、高速ケーブル配線中に長さの調整を強制するために使用されます。

高速 PCB のレイアウト計画

コンポーネントを高速 PCB レイアウトのどこに配置するかについて、特定の規則や基準はありません。一般に、最大の CPU IC を回路基板の中央近くに配置することをお勧めします。これは、通常、何らかの方法で回路基板上の他のすべてのコンポーネントに接続する必要があるためです。中央プロセッサに直接接続された小型の IC を中央 IC の周囲に配置できるため、コンポーネント間の配線を短く直接的に保つことができます。その後、必要な機能を提供するために、回路基板の周りに周辺デバイスを配置できます。

メインコントローラ IC を回路基板の中央付近に配置し、その周辺に他の高速ペリフェラルを配置する場合、高速レイアウトが最適です。これが、マザーボードが大型プロセッサをマザーボードの中央に配置する理由の 1 つです。 Altium Designer の MiniPC プロジェクトは、PCIe、DDR4、USB 3.0、およびイーサネットペリフェラルを中央の FPGA SoC の周りに配置するため、配線が簡単になります。

コンポーネントを配置した後、設計ツールをセットアップして、ルーティングの設計を開始できます。これは、高速回路基板設計のデリケートな部分です。誤った配線はシグナルインテグリティを損なうからです。ただし、前の手順が正しく完了していれば、シグナルインテグリティを達成するのは簡単です。配線中に制御されたインピーダンスを維持するために、設計内の配線が正しい幅、ギャップ、および間隔で配置されるように、PCB デザインルールでインピーダンス曲線を設定する必要があります。

ルーティング、シグナルインテグリティ、パワーインテグリティ

シグナルインテグリティは、設計回路基板の特定のインピーダンス値から始まり、レイアウトおよび配線中にその値を維持します。シグナルインテグリティを確保するためのその他の戦略には、次のようなものがあります。

コンポーネント間のパスを短くして高速信号を確保するように設計されています

ビアを介した配線を最小限に抑えます。理想的には、内層にアクセスするために使用されるビアは 2 つだけです。

超高速回線（10G+Ethernetなど）のスタブをバックドリルで解消

信号の反射を防ぐために終端抵抗が必要かどうかに注意してください。データテーブルをチェックして、オンチップ終端があるかどうかを確認します。

製造元に問い合わせて、繊維の織り込みの影響を回避するのに役立つ材料とプロセスを確認してください。

大まかなクロストーク計算またはシミュレーションを使用して、ボードレイアウト内のネットワーク間の適切な間隔を決定します

スキューを解消する調整構造を適用できるように、長さを一致させる必要があるバスとネットワークのリストを保持します。

これらの重要なポイントは、ルーティングツールのデザインルールとしてコーディングできます。これにより、高速デザインのベストプラクティスに従うことができます。

高速 PCB 配線

高速設計プロジェクトで設定した設計ルールにより、配線の設計時にインピーダンス、間隔、および長さの目標を確実に満たすことができます。さらに、特に長さの不一致を最小限に抑えてスキューを防止し、差動インピーダンスの目標を確実に満たすように配線間の間隔を強制するために、差動ペア配線の重要なルールを配線に適用できます。最高の配線ツールを使用すると、配線の幾何学的制約をデザインルールにエンコードして、パフォーマンスを確保できます。

長さ調整は、並列バスと差動ペアのトレース全体で使用され、時間遅延の一致を保証し、レシーバーで見られる信号間のバイアスを排除します。

高速 PCB 配線で最も重要なポイントの 1 つは、配線の近くにグランドプレーンを配置することです。スタックは、一貫したインピーダンスを維持し、PCB レイアウトで明確なリターンパスを定義するために、インピーダンス制御信号に隣接する層にグランドプレーンを持つように構築する必要があります。 EMI の問題を引き起こすインピーダンスの不連続性を避けるために、配線はグランドプレーンのギャップまたは分割を通過してはなりません。グランドプレーンの配置は、信号の完全性を確保するだけでなく、電源の完全性と安定した電源の確保にも役割を果たします。

パワーインテグリティ

パワーインテグリティの問題はしばしばシグナルインテグリティの問題になりすますため、PCB 設計では高速コンポーネントへの安定した電源供給を確保することが重要です。また、トランジェントは強い振動と強い放射を生成するため、相互接続とバスから不要な放射を生成します。安定した電力伝送を確保するには、一連の自己共振を備えたデカップリングコンデンサバンクを使用して、設計が可能な限り広い帯域幅内で低インピーダンスになるようにします。隣接する層で電源プレーンとグランドプレーンのペアを使用すると、追加の静電容量が提供され、低い PDN インピーダンスを維持するのに役立ちます。

高速設計とレイアウトのための高度なツール

最高の高速 PCB 設計ソフトウェアは、これらすべての機能を 1 つのアプリケーションに統合し、異なる設計課題を克服するために別々のワークフローを使用することを強制するのではありません。高速 PCB 設計者は、シグナルインテグリティ、パワーインテグリティ、および電磁適合性を確保するために、フロントエンドで多くの作業を実行する必要がありますが、適切な高速レイアウトツールを使用すると、デザインルールに従って結果を実装して、設計が確実に機能するようにすることができます。期待される。

より高度な PCB 設計ソフトウェアは、シミュレーションアプリケーションと対話して、業界標準の解析を実行するのに役立ちます。一部のシミュレーションは、新しい設計におけるシグナルインテグリティとパワーインテグリティの評価、および PCB レイアウトでの EMI のチェックに特化しています。シミュレーションは、ユーザーが設計を製造する前に特定の SI/PI/EMI 問題を特定するのに役立つため、高速設計で非常に役立ちます。いくつかの例には、リターンパスの追跡、ルーティングにおけるインピーダンスの不連続性の位置の特定、および EMI を防止するためのデカップリングコンデンサの理想的な配置が含まれます。

最高の高速設計ソフトウェアを使用して、物理的なレイアウトを完成させます。

シグナルインテグリティとパワーインテグリティを確保しながら高度な高速デジタルシステムを構築する必要がある場合は、ルール駆動型設計エンジンに基づく最高の高速設計およびレイアウトツールセットを使用してください。高密度レイアウトのボードコンピューターが必要な場合でも、複雑な混合信号 PCB が必要な場合でも、最適な PCB レイアウトツールを使用すると、高速 PCB レイアウトを作成する際の柔軟性を維持できます。回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーは、回路基板の高速設計、高速 PCB 設計およびレイアウトとは何かを説明します。