Penelitian Desain PCB Berkecepatan Tinggi dalam Sistem Aplikasi Tertanam

Sistem elektronik modern berkembang dalam tren paket kecil, skala besar dan kecepatan tinggi karena kepadatan chip menjadi semakin besar dalam SLSI (integrasi skala besar), yang membawa beberapa masalah yang tak terhindarkan seperti bagaimana menganalisis dan menangani dengan masalah interkoneksi dan penumpukan dalam desain sirkuit berkecepatan tinggi. Saat ini, frekuensi radio produk elektronik mencapai ratusan atau ribuan MHz dan tepi naik dan tepi turun menjadi sangat curam sehingga aturan tata letak PCB dan konstanta dielektrik bahan substrat sangat penting untuk kinerja listrik sistem dalam perancangan proses. produk semacam itu.

Sebagai proses dan langkah yang signifikan dalam sebagian besar penelitian produk elektronik saat ini, desain PCB berkecepatan tinggi telah melihat masalah utama termasuk masalah waktu, gangguan kebisingan dan EMI (gangguan elektromagnetik) yang solusinya terkait dengan operasi normal desain sistem.

Sekarang, metode desain tradisional mengarah pada keandalan dan tingkat keberhasilan produk yang rendah, yang memberikan nilai praktis yang tinggi dan ekspektasi pasar yang luas untuk penelitian tentang desain PCB berkecepatan tinggi dalam sistem aplikasi tertanam.

Desain Skema Sistem

Gambar 1 menunjukkan kerangka fungsi RTU tertanam (unit terminal jarak jauh).

Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa sistem ini merupakan struktur komunikasi vertikal yang tersusun oleh lapisan akumulasi data yang berisi satuan energi listrik, satuan sensor dan satuan pengukuran besaran analog, lapisan transmisi data yang berisi gateway yang mengatur data pada lapisan akumulasi data melalui perintah dari pusat insinyur penerima Internet dan lapisan pemrosesan data yang diimplementasikan oleh perangkat lunak pemantauan APP, menyimpan dan menganalisis data secara real time dan membuat kurva data menghadap ke antarmuka pengguna sehingga fleksibilitas dan efisiensi administrasi akumulasi data meningkat.

Bingkai Perangkat Keras Sistem RTU

Perangkat keras sistem IoT RTU tertanam ini terutama terdiri dari USB2.0, prosesor AT91SAM9263, CAN, SDRAM, Nand Flash, Data Flash, pengontrol Ethernet, chip jam, antarmuka RS232/485, administrasi daya, dan bagian akumulasi data.

Dioperasikan oleh sistem operasi Linux, desain ini memiliki kemampuan memori dan administrasi perangkat yang lebih tinggi sehingga penjadwalan multi-misi real-time diimplementasikan yang berisi algoritma kompleks dan protokol komunikasi untuk bertanggung jawab atas koneksi jaringan, komunikasi data, dan akumulasi konfigurasi. Gambar 2 adalah papan sirkuit RTU yang dirancang dalam artikel ini.

Mendukung dual stack IPv6 dan IPv4, sistem ini mampu mengimplementasikan kemampuan kecepatan dan waktu nyata. Dalam hal penyimpanan data, kebutuhan penyimpanan lokal dapat dipenuhi dalam kondisi blok komunikasi. Dalam hal antarmuka komunikasi, ia menampilkan antarmuka komunikasi data lapangan yang berbeda termasuk RS485, RS232 dan CAN, mendukung protokol komunikasi Modbus RTU dan memenuhi persyaratan antarmuka yang berbeda dan kecepatan komunikasi yang berbeda.

Desain PCB Sistem RTU

• Desain sistem penumpukan PCB

Jumlah lapisan PCB biasanya berkisar antara 2 hingga 32 berdasarkan tingkat kesulitan desain. PCB 6-lapisan dalam desain ini ditentukan menurut kepadatan paket komponen, ruang perutean tata letak kecil, dan frekuensi sinyal tinggi. Distribusi lapisan PCB ini diilustrasikan pada Gambar 3 di bawah ini.

Konfigurasi jalur strip diambil untuk FLASH dan SDRAM dalam sistem ini dan perutean diimplementasikan pada Sinyal Dalam 1 dan Sinyal Dalam 2.

• Aturan batasan PCB dalam sistem ini

Selama desain PCB berkecepatan tinggi, kontinuitas impedansi dan EMI sangat dipengaruhi oleh jarak, panjang dan lebar kabel dan pemrosesan loop yang berdekatan. Kualitas tata letak dan perutean komponen terkait dengan keberhasilan desain akhir sehingga aturan batasan PCB harus ditetapkan secara wajar.

Hyper Lynx memiliki fungsionalitas untuk mengganggu analisis grafik dan model IBIS dapat diterapkan untuk secara akurat mensimulasikan transmisi kehilangan, sinyal diferensial, dan model lubang tembus yang berubah dengan frekuensi. Jaringan utama disimulasikan sebelum perutean oleh Line untuk meningkatkan struktur susunan PCB dan impedansi perutean dan aturan batasan perutean jaringan PCB berkecepatan tinggi dirancang sebelum hasil simulasi untuk meningkatkan efisiensi desain.

• Simulasi PCB dari sistem ini

Dalam proses desain PCB berkecepatan tinggi, model saluran transmisi yang ideal diterapkan untuk simulasi terminal depan dengan saluran sinyal terbatas yang disimulasikan untuk satu kali. Namun, jalur transmisi di terminal belakang PCB sebenarnya adalah jalur perutean PCB dengan pengaruh lubang tembus dan pergeseran bidang. Dalam keadaan ini, hasil simulasi yang diperoleh sangat dapat diandalkan.

Dalam proses desain rangkaian inti sistem, resistansi pencocokan terminal sinyal terminal tunggal harus berada dalam kisaran 40 hingga 60Ω dan nilai ambang batas crosstalk antara jalur sinyal 165mV. Selain itu, untuk membuat pengontrol jaringan DM9000 dan DM9161 dapat beradaptasi sendiri untuk tingkat kecepatan komunikasi 100Mbps dan impedansi diferensial harus berada dalam kategori 100±5Ω. Simulasi PCB diimplementasikan oleh perangkat lunak simulasi Hyper Lynx yang dikembangkan oleh Mentor Graphic pada SDRAM, jalur diferensial Ethernet, integritas daya, dan EMC.

sebuah. Desain SDRAM

Dalam proses desain strip line, crosstalk dan through-hole merupakan penyebab utama yang menyebabkan keterlambatan waktu. Meskipun PCB diselesaikan sesuai dengan aturan perutean yang ditentukan oleh alat simulasi Line, beberapa masalah dapat dihindari seperti terlalu banyak pin komponen dan dimensi PCB yang terbatas. Oleh karena itu, perlu untuk mensimulasikan beberapa jaringan dengan tepat melalui alat simulasi Board.

Berdasarkan hasil simulasi, intensitas crosstalk jaringan analog EBI_D0 dan EBI_D2 lebih dari 165mV. Kedua jaringan tersebut menyerang EBI_D1 dan mencari tempat penyambungan karena jarak yang tidak sesuai antara garis berbentuk ular di area tanda kuning. Dapat diilustrasikan bahwa peningkatan jarak perutean akan membantu menghilangkan masalah tersebut. Namun, yang benar-benar kami pedulikan adalah mengapa jaringan peretasan mengalami gangguan yang sangat kuat. Alasannya mungkin terletak pada pilihan resistor yang tidak cocok yang mengarah ke impedansi yang tidak cocok. Hingga saat ini, resistansi yang ditentukan dari resistor terminasi adalah 43,1Ω. Pada kondisi eksitasi 220MHz, simulasi analisis gelombang jaringan EBI_D1 ditunjukkan pada Gambar 4 di bawah ini.

Berdasarkan Gambar 4, diskontinuitas impedansi terjadi pada saluran transmisi EMI_D1 dan deformasi terjadi pada gelombang sinyal. Meskipun kegagalan sistem start tidak dapat disebabkan, stabilitas operasi produk hampir tidak dapat dijamin. Kembali ke simulasi Board, melalui lubang dan simulasi rusak diterapkan untuk mengubah resistansi terminal EBI_D0 dan EBI_D1 menjadi 46,9Ω. Oleh karena itu, diagram simulasi crosstalk setelah perubahan resistansi ditampilkan pada Gambar 5 di bawah ini.

Berdasarkan gambar tersebut, dapat diilustrasikan bahwa sinyal jaringan telah ditingkatkan dan intensitas interferensi yang ditimbulkan pada EBI_D1 ternyata telah berkurang.

b. Desain bus diferensial internet

Dengan atribut kecepatan tinggi dan interkoneksi 3GIO, modul simulasi Board yang dikembangkan oleh Hyper Lynx menerapkan jalur data serial super cepat dan teknologi sinkronisasi sumber berdasarkan bus sinyal diferensial, menyediakan skema penyelesaian yang nyaman dan sangat efektif untuk desain PCB berkecepatan tinggi. Baik DM9000 dan DM9161 dalam sistem ini memiliki dua pasang bus diferensial sinyal berkecepatan tinggi:TX+, TX- dan RX+, RX- dengan impedansi diferensial menjadi 100Ω. Karena teori transmisi, impedansi diferensial dapat dihitung berdasarkan rumus:.

Dalam rumus ini, Z mengacu pada impedansi transmisi dari setiap saluran sinyal, yang memiliki efek penting pada jarak komunikasi dan kemampuan menahan kebisingan. Di sini DM9000 diambil untuk mengirimkan diferensial ke jaringan TP_E_TX+ dan TP_E_TX-. Untuk mengurangi efek pantulan, resistor 100Ω ditempatkan paralel pada garis sinyal dengan lubang tembus.

c. Desain integritas daya sistem ini

Gambar 6 adalah model distribusi daya dasar di mana arus ditransmisikan ke setiap pembawa melalui lapisan daya dan kemudian ke lapisan tanah.

Dalam proses desain PCB berkecepatan tinggi, konsumsi energi di setiap unit harus dihitung dalam sistem sirkuit dengan lebar jaringan listrik yang didistribusikan dengan benar dan diperkuat dengan tepat.

Integritas daya 6 lapisan dapat diringkas sebagai berikut:penurunan tekanan maksimum adalah 2.1mV, mendekati 0,06%; kerapatan arus maksimum adalah 16,3mA/m²; dalam kategori yang sesuai, jika kerapatan arus melebihi 50 mA/m², suhu PCB akan naik, yang mempengaruhi chip utama dan jalur sinyal dalam proses operasi. Peningkatan lebar tembaga mampu menurunkan kerapatan arus dan meningkatkan ketebalan kabel sinyal sangat membantu dalam penurunan suhu PCB.

d. Analisis kompatibilitas elektromagnetik sistem

Interferensi elektromagnetik biasanya ditransmisikan sebagai pembawa dengan sinyal yang berguna dalam cara kopling. Pada perancangan ini, software simulasi Hyper Lynx diterapkan untuk menganalisis intensitas radiasi PCB setelah dilakukan perancangan awal. Garis sinyal penting, D4, diambil antara ARM9 dan SDRAM dengan posisi probe masing-masing 3m dan 10m. Di bawah situasi sumber eksitasi 220MHz, baik FCC dan CISPR data simulasi standar internasional dapat diperoleh, ditampilkan pada Gambar 7 di bawah ini.

Berdasarkan hasil simulasi, jarak pendek ke PCB menyebabkan radiasi tinggi dari papan sirkuit dan radiasi berubah dengan perubahan frekuensi sinyal. Dalam proses desain sirkuit berkecepatan tinggi, anti-interferensi PCB dapat dioptimalkan sementara radiasi kebisingan harus dikurangi.

Sumber Daya Bermanfaat
• Kiat Tata Letak Berkecepatan Tinggi
• Teknik Perutean PCB Berkecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI
• Kesalahpahaman dan Strategi pada Desain PCB Berkecepatan Tinggi
• Komponen Tertanam Teknologi Fabrikasi PCB
• Teknologi Tertanam dan Prosedur Perakitan PCB Tertanam Komponen
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah