High Speed PCB Design
אז מה בדיוק הופך את תכנון ה-PCB ל- High Speed? ברור לנו שמדובר על דברים שקורים במהירות, אבל נקודת ההנחה של רובנו היא שמדובר רק בקצב השעון, כאשר בפועל להסתכל רק על התדר זה לא נכון.
תכנון High Speed כולל התקנים עם שינויים מהירים – סיגנלים שמחליפים מצב (1 ל- 0 או 0 ל-1) במהירות כזו, שהשינוי הושלם לפני שהאות יכול\הספיק לנוע לאורך החיווט ולהגיע לפין היעד. במצב זה האות יכול להשתקף (Reflection) חזרה לפין המקור, ובכך לפגוע או להרוס את נתוני האות המקוריים. אות כזה (עם שינוי מהיר) יכול גם להקרין מהמסלול שלו למסלולים סמוכים (Crosstalk) ובכך לגרום להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), וכתוצאה מכך המוצר לא יעמוד בתקני פליטה ונקבל נתונים לא תקינים.
כאשר איננו עובדים בתכנון כזה, האנרגיה זורמת כמו אלקטרונים דרך חיווט הנחושת. לעומת זאת ב- High Speed Design חלק מהאנרגיה הזו עוברת גם כאנרגיה אלקטרומגנטית סביב הנחושת המחווטת. במצב כזה אנחנו לא מממשים חיווט נחושת סטנדרטי לאלקטרונים, אנחנו מתכננים סדרה של קווי תמסורת המוטבעים ב- PCB.
אז מה כל זה אומר? שבפועל כאשר זמן המעבר של האות לאורך החיווט הלוך-חזור שווה או ארוך יותר מזמן העלייה של האות (זמן השינוי מ- 0 ל-1 או 1 ל- 0), תקינותו של האות מוטלת בספק וכעת התכנון שלנו הוא High Speed. אורכו של אותו מסלול מכונה Critical Length – מסלולים קצרים מזה לא אמורים לחוות בעיות, ואילו מסלולים ארוכים כן עשויים.
כדי לנתח את התכנון שלנו, כלל אצבע נפוץ המשמש לעתים קרובות הוא כלל זמן העלייה של 1/3, הקובע שאם אורך המסלול הוא יותר מ 1/3 של זמן עלייה, יכולות להתרחש השתקפויות (Reflections). לדוגמא, אם לפין המקור יש זמן עלייה של 1nsec, יש להחשיב נתיב\חיווט ארוך מ- 33nsec – שהוא בערך 2 אינץ 'ב- FR4 כקו תמסורת אשר מועמד לבעיות שנכתבו לעיל.
אז מה אפשר לעשות? בפוסט הבא אנסה להסביר מספר נושאים הקשורים ל- High Speed וכיצד ניתן להתמודד איתם.
Reflections ו-תיאום אימפדנס
מכיוון שלא ניתן להבטיח שכל מסלולי החיווט יהיו קצרים מהאורך ההרצוי של האות ננסה לבצע תיאום אימפדנס על ידי מזעור כמות האנרגיה המשתקפת חזרה. באופן אידיאלי, אנחנו נרצה שכל האנרגיה שמגיעה לפין היעד תעבור כולה ולא תשתקף בחזרה.
אימפדס מוגדר על ידי מידות הניתוב (רוחב וגובה השכבה), והתכונות והממדים של החומרים הסובבים, שיהיו שכבות האוויר או השכבות הדיאלקטריות.
לא ניתן להשיג PCB מתואם אימפדנס באמצעות חיווט בלבד. יש שני חלקים לפאזל זה – שליטה על עכבת החיווט, והתאמה של עכבה זו לפיני הכניסה והמוצא. השגת התאמה זו מצריכה לרוב תוספת של רכיבי טרמינציה (נגדים, קבלים וכו').
בנוסף, שליטה בשכבות הרפרנס המוגדרות לאותו הסיגנל גם כן ישפיעו על האימפדנס אשר מתקבל.
דוגמא לאות אשר מתואם בתמונה מימין לעומת אות שאינו מתואם שכולל Reflections משמאל
על מנת להתמודד עם אתגרים אלו מומלץ להשתמש בכלים מובנים בסביבת העבודה.
מוזמנים לצפות במאמר שעשינו בנושא זה – קישור
Crosstalk
מכיוון שחלק מהאנרגיה באותות מהירים עוברת מסביב לחיווט, אין מנוס מכך שחלק מהאנרגיה הזו תשפיע על מסלולים\חיווטים סמוכים. תופעה זו נקראת Crosstalk. אנרגיה זו תפגע באיכותו של אותו האות. בשפת המקצועית, האות שמקרין את האנרגיה מכונהaggressor , והאות שמקבל את האנרגיה מכונהvictim . אז איך מצמצמים את כמות האנרגיה הנפלטת מ-aggressor , ואיך מפחיתים כמה מאותה אנרגיה משפיעה על ה-victim ? הגישה הבסיסית היא להפחית את כמות האנרגיה הנפלטת מ- aggressor באמצעות תיאום אימפדנס ותכנון נכון של מסלול החזרת האות. בנוסף, ניתן להרחיק את נתיבי החיווט בין האותות ובכך גם כן להקטין את התופעה.
דוגמא לשינוי באות העליוןaggressor שמשפיע על האות התחתוןvictim
ישנם עוד נושאים הקשורים להתמודדות עם אתגרים בתכנון High Speed. לדוגמא מבנה הכרטיס, החומרים שמגדירים את השכבות, סוגי הויאות השונות ועוד.
למי מכם שמועניין לשמוע עוד, מוזמן לצפות בוובינר שעשינו בנושא High Speed Design
תרגישו חופשי להגיב ולשאול שאלות. אם תרצו לקבל עוד מידע מוזמנים לפנות אלינו.
