Designing high-speed PCBs in a connected world

Design von High-Speed-PCBs in einer vernetzten Welt

Die Meinung eines Elektronikingenieurs über eCADSTAR und wie es in einer vernetzten Welt funktioniert.

Das PCB-Design hat sich geändert: vielfältiger und stärker vernetzt.

re-usable data pcb design
Abbildung 1: Zusammengefügtes PCB-Design

Die Vorstellung einer Kluft zwischen „Lown-Speed“ und „High-Speed“ ist ziemlich veraltet – insbesondere vor dem Hintergrund des Wachstums des Internet der Dinge (IOT). Wir müssen sicherstellen, dass all die verschiedenen Dinge auf einer Leiterplatte in Harmonie funktionieren.

Die Art und Weise, wie wir High-Speed-Digitalplatinen geroutet haben, funktioniert, weil wir dies auf eine bestimmte Art tun: Referenzebenen, differentielle Paare, Impedanzkontrolle. All dies formt die elektrischen und magnetischen Felder, so dass wir vorhersagen können, wie sie sich verhalten werden.

Digitale Signale laufen heute so schnell, dass wir das Ganze von Anfang bis Ende als ein 3D-Problem behandeln müssen. All dies gilt für die Hochfrequenz, und dann noch einiges mehr, denn die Hochfrequenz tangiert auch viele der Annahmen, die wir für den Rest treffen. Wenn Sie eine drahtlose Verbindung haben, dann haben Sie auch HF.

Aber wir können es in den Griff bekommen, denn diese Boards sind Guppen von Signalsystemen. Es gibt bewährte Regeln für das Layout jedes Systems, vorausgesetzt, man wendet die richtigen Regeln auf das richtige Design an.

Ich bin eine Elektronik-/Software-Ingenieurin mit, offen gesagt, rudimentären PCB-Layout-Fähigkeiten. Unter anderem probiere neue Funktionen gerne and neuen Technologien aus, und schaue, was passiert. Während ich diese Zeilen schreibe, ist eCADSTAR High-Speed ganz neu. Hier ist meine Einschätzung dessen, was es für Sie tun kann.

DDR4: Es handelt sich nicht um eine DIMM-Karte, oder doch?

Zuerst habe ich mir den JEDEC-Standard angesehen. Sobald Sie ein Konto eingerichtet haben, ist der Zugang kostenlos. Sehr gründliche Richtlinien, wenn Sie eine Speicherkarte entwerfen. Ich montiere sie direkt an Bord, aber woher wissen die Elektronen das? Sie wissen es nicht; es ist eine Welt der Impedanz und der elektrischen und magnetischen Felder.  Unter der Voraussetzung, dass ich den Platz habe, denselben Richtlinien zu folgen, kann ich eine grundsolide Batterie von SDRAMs entwerfen. Die Vorteile gehen noch tiefer, aber dazu komme ich noch. Ich kann die JEDEC-Richtlinien hier nicht wiedergeben, weil sie urheberrechtlich geschützt sind, aber ich kann Ihnen zeigen, was ich getan habe.

Als Erstes: Die Topologie

Wenn Sie DDR4 wie eine DIMM-Karte auslegen, benötigen Sie nur zwei grundlegende Single-Ended- und Differential-Topologien: Punkt-zu-Punkt und Fly-by. Diese und viele weitere sind standardmäßige eCADSTAR-Vorlagen, also habe ich durch die Vorschau geblättert, die gewünschten ausgewählt und sie auf meine Speichersignale angewendet.

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Abbildung 2: Anwenden von Topologievorlagen mit Voransicht

Ich habe Skew (relative) und absolute Längenbeschränkungen eingerichtet. Die JEDEC-Richtlinien gelten, wenn Sie die SDRAMs auf eine bestimmte Art und Weise platzieren, und genau das habe ich getan.

Und dann habe ich zu diesen Topologien geroutet.

Ich habe noch nie PCB-Layout als Broterwerb erstellt, aber habe ich IC-Designs gemacht und ich bin ein Optimierer. Haben diese SDRAM-Designer etwas getan, um beim Routing zu helfen? Und ob sie das haben! Sie haben das Ball Grid Array ausgelegt, dass Sie auf 4 Lagen von zero SDRAM auf SDRAM skew routen können. Ich habe also alle SDRAMS identisch aufgefächert, dann habe ich einen Satz von Package zu Package geroutet und ihn auf die anderen kopiert und eingefügt.

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Abbildung 3: Zero-Skew-Routing zwischen SDRAMs

Ich musste die Längen zwischen den SDRAMs und ihrem Controller angleichen, also habe ich die Länge interaktiv auf die Vorgaben der Constraints verlängert, bevor ich das Ganze im Constraint-Browser überprüft habe. Keine Abweichung, solange ich auf die Routing-Kanäle achtete und am Controller etwas Pin-Swapping durchführte.

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Abbildung 4: Verlängerung der Verbindung zwischen Controller und erstem SDRAM

RF: High-Speed und ein bisschen mehr

Ich wollte eine Satelliten-Antenne auf demselben Brett haben. Die Anforderungen an das Routing sind sehr hoch: Vorschriften der Federal Communications Commission (FCC) und andere wirklich ernstzunehmende Dinge, die sicherstellen, dass drahtlose Signale nicht Militär- und Raumfahrtsysteme stören.

Das Routing ist ziemlich breit und formbasiert. Normale Leiterbahnen im traditionellen Stil derfüllen die Anforderungen nicht. Die Leiterbahn ist von besonders gestalteten Massenflächen in umgeben. Darunter befindet sich ein Hohlraum in einer Massefläche auf der nächsten Lage und schließlich die Hauptreferenzmasse auf der dritten Lage, wodurch sich der Wellenwiderstand von 50Ω ergibt.

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Abbildung 5: Routing einer Satelliten-Antenne

Ich habe die umfassenden Formerstellungswerkzeuge von eCADSTAR verwendet, um dies richtig zu machen. Die Formen, die ich verwendet habe, sind nicht einfach nur Formen, sie sind Schablonen. Wenn man sich einmal an Schablonen gewöhnt hat, sind sie fantastisch, denn sie passen sich sofort an, wenn man irgendetwas innerhalb ihres Bereichs ändert, wie Durchkontaktierungen oder Durchpflugspuren. Viel besser als einfache alte Kupferflächen.

Was mir an eCADSTAR High-Speed gefallen hat

Einer der Gründe ist wohl, dass ich für Zuken arbeite, also hätte ich einiges zu erklären, wenn mir eCADSTAR nicht gefallen würde. Aber ich mag eCADSTAR, ich mag es wirklich.

Besonders gefällt mir, dass es konsistent ist. Die Entwicklungsabteilung hat es konsequent für eine vernetzte, schnelle HF-Welt entwickelt. Sie mussten nicht neue Funktionen dazubasteln, die eigentlich nicht zur Konzeption des Produktes passen.

Der Bibliotheks-Editor funktioniert in der gleichen Weise wie der Schaltplan-Editor und der PCB-Editor. DieTools tun die Dinge an der Stelle, wo man sie erwarten würde. Online-Bibliotheksteile werden einfach direkt eingefügt, einschließlich ihrer 3D-Modelle. Wenn sie einmal eingefügt sind, können sie aber auch angepasst werden. Sie können zum Beispiel einige Schaltplan-Symbole ändern, um sie an Ihre Arbeitsweise anzupassen, und das ist gut und einfach. Ich wollte meine ausgefüllt haben, und ich wollte sie ein bisschen bearbeiten, um darzustellen, was sie sind, weil ich diese Sachen für Artikel wie diesen brauche, wo Anschaulichkeit wichtig ist.

About the Author

Jane Berrie
Jane BerrieSignal Integrity Expert, Zuken Tech Center, Bristol.
ane Berrie ist seit den 1980er Jahren im Bereich EDA für PCB-Signalintegrität tätig. Ihre Artikel sind in vielen Publikationen weltweit erschienen - zu viele Male, um sie zu erwähnen. Jane Berrie war auch in der Vergangenheit Vorsitzende für 3D-IC-Design bei der jährlichen Design Automation Conference. Jane ist auch eine Innovatorin mit einer einzigartigen Perspektive, die ständig an neuen Lösungen in der sich schnell entwickelnden Welt des elektronischen Designs arbeitet. In ihrer Freizeit hat Jane thematische Wohltätigkeitsveranstaltungen organisiert - darunter zwei zu Gunsten von Rettungsbooten und dem Überleben des roten Eichhörnchens. Jane ist außerdem eine regelmäßige Disco-Besucherin.


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