Guide til PCB-jording: Væsentlige regler for ren rutning

1. Layout

Placering af komponenter - ti regler

1. Følg reglen “placer stort før småt, placer svært før let”. Vigtige kredsløbsblokke og nøgledele skal placeres først.
2. Brug det skematiske blokdiagram som vejledning. Placer hoveddelene, så de passer til kortets hovedsignalflow.
3. Placer delene, så det er nemt at teste og reparere dem. Placer ikke store dele ved siden af små dele, som der skal være adgang til. Lad der være tilstrækkelig plads omkring dele, der skal testes eller justeres.
4. Brug så vidt muligt et symmetrisk layout til gentagne kredsløbsblokke. Symmetri gør det nemmere at gentage og teste.
5. Optimer layoutet med jævn fordeling, balance i tyngdepunktet og et pænt board-look.
6. Placer den samme type gennemgående dele i samme X- eller Y-retning. For polariserede diskrete dele af samme type skal du holde deres orientering ensartet i X eller Y for at lette montering og inspektion.
7. Spred varmegenererende dele ud over pladen, så pladen og det færdige produkt afkøles bedre. Placer temperaturfølsomme dele væk fra varme dele. Placer ikke temperatursensorer ved siden af varme komponenter, undtagen når sensoren skal måle varmen.
8. Prøv at opfylde disse ledningsbehov: Hold den samlede sporlængde kort, og gør de vigtigste signalspor til de korteste. Hold højspændings- eller højstrømsspor langt væk fra svage lavspændings- eller lavstrømssignaler. Adskil analoge signaler fra digitale signaler. Hold højfrekvente signaler væk fra lavfrekvente signaler. Sørg for tilstrækkelig afstand omkring højfrekvente dele.
9. Placer afkoblingskondensatorer så tæt som muligt på IC'ens strømstifter. Gør sløjfen, der går fra strøm til kondensator til jord, så kort som muligt.
10. Når du placerer dele, skal du forsøge at placere dele, der bruger samme strømskinne, tæt på hinanden. Det gør det lettere at opdele strømforsyningen senere.

2. Routing (spor)

(A) Routing-prioritet

• Vigtige signaler først: Før kritiske spor som små analoge signaler, højhastighedslinjer, clocksignaler og synkrone linjer før andre.
• Tæthed først: Start routing i området med de mest komplekse forbindelser på brættet. Begynd fra den mest overfyldte region.

Noter:
a. Giv clock-, højhastigheds- og følsomme signaler dedikerede routinglag, når du kan. Gør deres returloop-område så lille som muligt. Hvis det er nødvendigt, skal du route dem manuelt først, bruge skærme eller øge afstanden for at beskytte signalkvaliteten.
b. Undgå at placere interferensfølsomme signaler, hvor EMC-miljøet er dårligt, f.eks. mellem strøm- og jordplan.
c. For net, der kræver kontrolleret impedans, skal du følge reglerne for nødvendig sporbredde og -længde.

(B) Fire almindelige sporingsformer

1. Clock-routing

Clock-traces er en af de største kilder til EMC-problemer. Minimér antallet af vias på clock-linjer. Undgå at føre clock-linjer parallelt med andre signaler. Hold dem adskilt fra almindelige signaler for at reducere interferens. Hold også clocklinjer væk fra strømområder for at undgå krydskobling mellem strøm og clock.

Hvis der er en dedikeret urgeneratorchip på kortet, skal du ikke trække spor under den. Fyld kobber under chippen, og skær om nødvendigt et plan specielt til den. Mange chips bruger en referencekrystaloscillator. Lad være med at trække spor under krystallen. Fyld kobber under krystallen for at isolere den.

2. Retvinklede spor

Retvinklede spor undgås normalt i PCB-routing. De er et almindeligt mål for routingkvalitet. En ret vinkel kan ændre sporbredden effektivt. Denne ændring forårsager en impedansdiskontinuitet. Ikke kun rette vinkler, men også skarpe hjørner og spidse vinkler kan ændre impedansen.

De vigtigste effekter af retvinklede hjørner på signaler er:

• Hjørnet fungerer som en kapacitiv belastning på sporet. Det gør stigetiden langsommere.
• Impedansdiskontinuitet kan forårsage signalrefleksion.
• Den skarpe hjørnespids kan generere EMI.

Så undgå rette vinkler og skarpe hjørner i højhastigheds- eller følsomme spor.

3. Differentielle par

Se reference: Altium Designer - Differentiel routing og impedanstilpasning.

Differentielle signaler bruges i vid udstrækning i højhastighedskredsløb. Nøglesignalerne i mange designs bruger differentielle par. Enkelt sagt sender driveren to lige store og modsatte signaler. Modtageren aflæser forskellen mellem de to spændinger for at afgøre, om logikken er “0” eller “1”. De to spor, der bærer et differentielt signal, er det differentielle par.

Sammenlignet med single-ended spor har differentielle par klare fordele:
a. Bedre støjimmunitet. De to spor er stærkt sammenkoblede. Ekstern støj kobles til begge spor på næsten samme måde. Modtageren ser på forskellen, så common-mode-støj udlignes.
b. Lavere EMI. Fordi de to signaler er modsatrettede, ophæver deres udstrålede felter hinanden. Jo tættere de er, jo mere ophæves felterne, og jo mindre energi udstråles der.
c. Bedre timing-nøjagtighed. Switching edge er i krydsningspunktet mellem de to bølgeformer. Det reducerer følsomheden over for proces og temperatur, så timing-fejlen er lavere. Differentialsignalering er god til signaler med lav amplitude. LVDS (Low Voltage Differential Signaling) er et eksempel på differentiel signalering med lille amplitude.

For at få disse fordele ved routing følger PCB-ingeniører to hovedregler: “lige længde og lige afstand”.”

• Lige længde holder de to signaler i modsat fase og reducerer common-mode-fejl.
• Lige stor afstand holder differentialimpedansen konstant og reducerer refleksioner.
  Nogle gange bruges også reglen “hold parret tæt”.

4. Serpentinske (slyngede) spor

Serpentinspor bruges til at justere forsinkelse og opfylde timingkrav. Designere skal vide, at serpentinspor forringer signalkvaliteten og ændrer transmissionsforsinkelsen. Prøv at undgå dem, når det er muligt. Men i praksis er serpentinerbaner ofte nødvendige for at opfylde opsætnings- og holdetid eller reducere skævhed i en signalgruppe.

Noter:

• For differentielle par skal du køre de to spor parallelt og minimere vias. Hvis du er nødt til at bruge vias, så brug dem som par, så impedansen forbliver afbalanceret.
• Lad busbaner med samme funktion ligge side om side, og gør dem så lige lange som muligt. Placer vias, der kommer fra SMT-pads, lidt væk fra paden.

(C) Fælles regler for routing

1. Kontrol af retning

Sørg for, at spor på tilstødende lag løber ortogonalt. Undgå routing i samme retning på tilstødende lag for at reducere krydstale fra lag til lag. Hvis du ikke kan undgå routing i samme retning på grund af kortets struktur, skal du bruge et jordplan til at isolere lagene eller tilføje jordede spor mellem signalsporene.

2. Kontrol af åbent kredsløb

Efterlad ikke ledninger med den ene ende flydende (dinglende). En hængende ledning kan fungere som en antenne og forårsage uønsket stråling eller modtagelse.

3. Kontrol af impedans

Hold den samme linjebredde i det samme net. Ændringer i bredden ændrer den karakteristiske impedans og kan forårsage refleksion på højhastighedslinjer. Hvis du er nødt til at ændre bredden, skal du holde de inkonsekvente dele så korte som muligt.

4. Kontrol af længde

Hold sporene korte for at reducere interferens fra lange spor. For vigtige linjer som ure skal oscillatoren placeres i nærheden af den enhed, der bruger uret. For en driver, der driver mange enheder, skal du vælge netværkstopologi efter systemets behov.

5. Hjørne-regel

Undgå skarpe og retvinklede hjørner for at reducere uønsket stråling og for at overholde produktionsgrænserne.

6. Afkoblingsregel

A. Tilføj de nødvendige afkoblingskondensatorer på printet for at filtrere støj på strømskinnerne. Det hjælper på strømstabiliteten. På flerlagskort er den nøjagtige placering af afkoblingen mindre streng, men på dobbeltlagskort har layoutet og strømføringen til afkoblingskapaciteter direkte indflydelse på systemets stabilitet og kan afgøre, om det bliver en succes eller en fiasko.B. På dobbeltlagskort skal strømmen føres gennem filterkapaciteter, før delene får strøm.C. I højhastighedsdesigns er korrekt afkobling afgørende for kortets stabilitet.

7. Regel om zoneinddeling og lagdeling

A. Placer forskellige frekvensblokke adskilt for at undgå gensidig interferens og for at afkorte højfrekvente stier. B. For kort med blandede signaler skal du placere analoge og digitale kredsløb på separate sider eller områder og bruge et jordplan mellem routinglagene for at isolere dem.

8. Regel for returløb til jord

Hold signalsporet og dets returloop-område så lille som muligt. Mindre sløjfer udstråler mindre og opfanger mindre interferens.

9. Strøm- og planintegritet

I områder med mange vias skal man undgå at lave huller, der skærer strøm- eller jordplaner i isolerede øer. Skæring af planer kan bryde planets integritet og øge arealet af retursløjfen. Det øger støj og udstråling.

10. 3W-regel for afstand

For at reducere krydstale skal du holde afstanden mellem sporene på mindst 3 gange sporbredden (3W). Dette forhindrer ca. 70% af feltet i at blive koblet sammen. For at få ca. 98% isolering skal du bruge 10W afstand.

11. Afskærmning

For meget vigtige signaler som clocks eller synkroniseringslinjer skal du reducere loopområdet ved at afskærme. Brug jordspor omkring signalet, eller brug afskærmede kobberkabler i ekstreme tilfælde. Sørg for, at afskærmningen er godt forbundet med jordplanet.

12. Regler for opsigelse

Når sporforsinkelsen i digitale højhastighedskredsløb er større end en fjerdedel af signalets stigningstid, skal sporet behandles som en transmissionslinje. Match driverens indgangs- og udgangsimpedans til linjen. Der er mange matchningsordninger, og valget afhænger af topologi og routing.A. For punkt-til-punkt-links (en driver, en modtager) skal du vælge serieafslutning ved kilden eller parallelafslutning ved belastningen. Serieafslutning er enkel og billig, men kan tilføje forsinkelse. Parallelafslutning passer godt, men er mere kompleks og dyr.B. For en driver til mange modtagere (punkt-til-multipunkt), hvis netværket er en daisy chain, skal du bruge parallelafslutning i slutningen. Hvis det er et stjernenetværk, skal du følge punkt-til-punkt-reglerne. Afvej omkostninger, strømforbrug og ydeevne, når du vælger. Fuldt match er ikke altid praktisk; begræns refleksioner til acceptable niveauer.

13. Kontrol af lukket kredsløb

Undgå, at signaler danner selvsløjfer på tværs af lag. Kort med flere lag kan skabe selvsløjfer, der forårsager stråling.

14. Kontrol af grenlængde

Hold grenlængderne korte. Typisk regel: Tdelay ≤ Trise / 20.

15. Resonans-regel

For højfrekvente signaler skal man undgå sporlængder, der er heltallige multipla af signalets bølgelængde, hvilket kan forårsage resonans.

16. Kontrol af isoleret kobberområde

Isolerede kobberområder kan forårsage usikre problemer. Bind isoleret kobber til et jordnet eller fjern det for at forbedre signalkvaliteten. Nogle producenter tilføjer kobber i tomme områder for at hjælpe med fremstillingen og for at reducere kortets krumning.

17. Regel om overlappende effektplan

Undgå at overlappe forskellige strømforsyninger i rummet. Det reducerer interferens mellem forsyninger med store spændingsforskelle. Hvis overlapning ikke kan undgås, kan du overveje at tilføje et isoleret jordplan mellem dem.

18. 20H-regel for kanteffekt

Det elektriske felt mellem strøm- og jordplan kan stråle ud på printkanten. For at reducere dette skal du krympe effektplanet indad fra printkanten. Hvis du krymper planet med 20 gange den dielektriske tykkelse (20H), kan du begrænse ca. 70% af feltet inde i jordplanets kant. Krympning med 100H kan begrænse ca. 98%.

(D) Andre routing-noter

• Til enkelt- og dobbeltlagskort skal strømskinnerne være brede og korte. En typisk regel: 1 mm sporbredde kan bære ca. 1 A; brug dette til at dimensionere strøm- og jordspor. Hold området med strøm-/jordsløjfer lille.
• Hvis et strømspor er langt, kan dets koblede støj gå direkte ind i belastningen. Afkobl strømmen til hver belastning før belastningens indgang. Brug uafhængig afkobling for hver belastning, og filtrer skinnen, før den kommer ind i belastningen, for at reducere gensidig interferens.

3. Regler for DDR-routing

Se referencer: DDR routing rules and process; DDR2-800 and DDR3 signal integrity design; DDR2 routing rules parts one and two.

(A) Forstå DDR2-signaler først

Eksempel brugt her: DDR2-chip MT47H64M16HG.

Detaljer om indpakning og pinout (indpakning, pin-definitioner og skemaer) er vigtige for layout og routing. Kend signalgrupperne: datalinjer og adresselinjer.

Signalgrupper

• Data: DQ[0-15], DQS, DM og klokkeslæt CK/CK#.
• Adresse: A[0-15], BA[0-2] og kontrolsignaler CS, WE, RAS, CAS. Også CKE og ODT.

For DDR-routing skal du følge de specifikke regler, der passer til chippen og hukommelsessystemets topologi. Nogle generelle DDR-routingpunkter er:

• Hold data strobes (DQS) tæt på data (DQ). Bind timingen, så DQS møder setup og hold ved hver modtager.
• Ved punkt-til-punkt- eller fly-by-routing af adresse- og kommandolinjer skal man vælge den topologi, som hukommelsesleverandøren anbefaler. Fly-by-routing kræver ofte terminering nær enden af linjen.
• Før adresse- og kommandospor med kontrolleret impedans og tilpassede længder, hvor det er nødvendigt.
• Ved multibit-busser skal der være matchende længder i hver gruppe. Hold grupperne adskilt efter funktion.
• Undgå stubbe, og brug korrekt afslutning for at reducere refleksioner.
• Hold strøm- og jordplaner kontinuerlige, og placer afkoblingen tæt på hukommelsens og controllerens strømstifter.
• Placer hukommelseschip og controller, så de kritiske højhastighedsstier er korte og har minimale lagovergange.

(For mere præcise valg af DDR-layout skal du følge hukommelsesleverandørens applikationsnoter og kortets signalintegritetsanalyse).

4. Afsluttende noter

• Tjek altid dit layout med skemaet og blokdiagrammet. Placer de vigtigste dele først. Før derefter kritiske signaler. Gør derefter den øvrige routing færdig.
• Ved højhastigheds- og mixed-signal-design skal du planlægge lagopbygning, planplacering og returveje tidligt. Brug kontrolleret impedans og signalisolering, hvor det er nødvendigt.
• Brug de grundlæggende regler: korte sløjfer, afstemte længder for kritiske grupper, stabil strøm og god afkobling. Disse regler forbedrer signalkvaliteten og reducerer EMI.
• Hvis du er i tvivl, skal du følge leverandørens applikationsnoter for DDR, højhastighedstransceivere og særlige grænseflader.