基板設計 高速バックプレーン設計と 基板レイアウト

 プリント基板設計 高速バックプレーン設計と PCB レイアウトのスキル

 プリント基板設計 複数のボードをより大きなシステムに接続し、それらの間の相互接続を提供する必要がある場合は、バックプレーンを使用してこれらのボードを配置し、それらをカスケードすることができます。 バックプレーンはハイレベル ボードであり、高速設計、機械設計、高電圧/高電流設計、さらには RF 設計のいくつかの要素を利用しています。 これらのボードは通常、ミッション クリティカルな防衛システム、通信システム、およびデータ センターに使用されます。 IPC の信頼性要件を超える独自の標準セットを採用しています。

バックプレーンは、他の多くのプリント基板にはない特定の規格に準拠していますが、多くの  プリント基板設計者は、レイアウトと配線に関する概念に精通しています。 最初は、多数のコネクタとネットワーク、および一般的なバックプレーンの狭いスペースが難しいように見えます。 それでも、組織構造を維持し、高い信頼性を確保しながらバックプレーン設計を完成させるのに役立つ簡単な戦略がいくつかあります。 信頼性とシグナル インテグリティのバランスを取るための配線とレイアウトに関して、次のバックプレーン設計を実装するための戦略をいくつか学んでいただければ幸いです。 これ以上の内容は抜きにして、プリント基板設計のこの豊富な分野に飛び込みましょう。

バックプレーン設計の概要

バックプレーンの設計、基板のレイアウト、および配線のエントリには、さまざまな角度が必要です。 これらの設計は、スペースと層が限られている大規模なボードで何千もの接続を管理していることに気付く可能性があるため、困難な場合があります。 さらに、バックプレーンが実際にドーター カードへの電源供給に関与している場合があり、各ドーター カードがさまざまな高速デバイスを介して複数アンペアの電流を引き込んでいる場合があります。 これは、バックプレーンが約 100 A の電流をサポートする必要があることを意味します。

バックプレーンの主な機能は、大規模なシステムで複数のボード間の接続を提供することであるため、すべては使用するコネクタを中心に展開し、これらのコネクタは設計の出発点です。 以下は、バックプレーン設計に関連するいくつかの基本的なタスクです。

ピン配置: 最初のステップは、必要なルーティング トポロジをサポートするために、コネクタのピン配置を決定することです。 これについては、以下でさらに紹介します。

機械的要件: ドーター ボード コネクタの正しい配置に加えて、正しい嵌合と構造的完全性を確保するためにガイド ピンも使用されます。 リストの一番下の画像は、バックプレーン コネクタで使用する一般的なガイド ピンを示しています。

材料の選択: 高速バックプレーンの場合、これは設計プロセスの重要なポイントです。 バックプレーンは非常に大きくなる可能性があるため、プレーン全体を通過する必要がある信号は、重大な損失を被る可能性があります。 長い相互接続の挿入損失を最小限に抑えるには、タイトなガラス編組を備えた低損失ラミネートが必要です。

電源および接地戦略: 多数のサブボードに高電力を供給する必要があるバックプレーンの場合、低温を維持するのに役立つ電源および接地戦略が必要になります。 異なるプレーン層の接地/電源プレーン レイアウトは、回路基板上で絶縁された高速信号の絶縁も提供します。

層の数: バックプレーンに必要な層の数は、必要なプレーン層の数と信号層の数によって異なります。 バックプレーンは、すべての設計要件を満たすことができる厚さ数ミリメートルの最大 24 層を持つことができます。

以上の点は、他の高速回線設計で考慮すべき点と同じです。 しかし、バックプレーンの作業を行うと、コネクタのピン配置によって配線が制限されるため、状況は異なります。 これはバックプレーン設計の重要な部分であり、慎重に計画する必要があります。

すべてにコネクタ、ピン割り当て、および配線が含まれます

初期設計段階のほとんどは、バックプレーンのコネクタに焦点を当てます。 コネクタ (バックプレーン用を含む) の選択は芸術であり科学でもあります。 これらのコネクタは、シグナル インテグリティの主な決定要因になります。 シミュレーションは、コネクタ トラッキング インターフェイスで信号が過度に減衰しないようにするために重要です。

コネクタのピン配置も重要です。これは、各層の配線を簡素化するのに役立ちます。 特に、ピン配置は次の 2 つの目標を達成する必要があります。

バックプレーンバス上のすべてのコネクタにルーティングされるときに、特定の層の信号が互いに交差しないように設計する必要があります。 正しく行えば、一部の信号層を除去できる場合があります。

理想的には、各コネクタのピンに達すると、配線はバックプレーン全体 (ほとんどのレベル) をスムーズに流れる必要があります。

以下に示す差動ペアのルーティングと同様に、これを 1 行ずつ実行することをお勧めします。 各コネクタのピンが各列でずらして配置されていることに注意してください。これにより、差動ペアのルーティングがコネクタ ピンの行の間に入ることができます。 すべてのピンが同じ列にある場合、PCB 配線には 1 層ではなく 2 層が必要です。

これらすべての設計要件を考慮すると、最初のバックプレーンでこれらすべてのバランスを達成することは困難であることがわかり、最初のボード コンポーネントのレイアウトさえ実行しませんでした。 コンポーネントのレイアウトの自由度はあまり高くありませんが、コネクタ全体でピンを配置して一貫性を保つ限り、バックプレーンを介して信号をルーティングするときに順序を保つことができます。 成功に役立つその他のヒントは次のとおりです。

高速信号のジャンプを最小限に抑えます。 各スルーホールは相互接続の挿入損失を増加させるため、挿入損失を可能な限り低減する必要があります。

トランジションによる高速リバースドリリング。 リバース ドリリングはコストを増加させますが、長い送電線でのスタブ ラインの不連続性を最小限に抑えます。

落ちることを恐れないでください。 接地逆流の使用は、異なる高速配線グループ間を分離し、一貫したインピーダンス曲線を確保し、高いリターン電流に十分な導体を提供するのに役立ちます。

未使用の信号層をすべて平面層にします。 バックプレーンを介して電力を供給したい場合は、追加の電源ボードをスタックにドロップすることを心配する必要はありません。 複数の電源レイヤー間で電流を分配することで、PDN を低温に保つことができます。

バックパネルのデザインは、成功するには複数のメジャーが必要になるため、臆病な人には適していません。 ただし、適切なデザイナー チームと完全なデザイン ツール セットがあれば、デザイン プロセスのほとんどの側面を 1 つのプラットフォームで完了することができます。 バックプレーンの設計を完了し、プログラムを通じて PCB 生産の準備をすることができます。