Menguasai Desain PCB Kecepatan Tinggi: Kesalahan Umum dan Strategi Terbukti

Seperti yang berkaitan dengan sistem elektronik kecepatan tinggi, keberhasilan desain papan sirkuit cetak secara langsung mengarah pada pemecahan masalah yang tinggi dalam sistem Elektromagnetik Kompatibilitas (EMC) baik dalam teori maupun praktik. Untuk mencapai standar EMC, desain PCB kecepatan tinggi menghadapi tantangan besar sehingga desainer PCB kecepatan tinggi harus meninggalkan filosofi dan pendekatan desain tradisional dalam proses desain mereka. Artikel ini menganalisis kesalahan dan strategi dalam proses desain PCB kecepatan tinggi dari sudut pandang praktik.

Konstanta Dielektrik Bahan PCB Kecepatan Tinggi

Hingga saat ini, terutama ada tiga teknik desain dalam hal desain PCB kecepatan tinggi: teknik desain grafik PCB kebisingan dan keterlambatan, teknik kontrol impedansi dan waktu penundaan propagasi dan teknik evaluasi dengan impedansi PCB sebagai parameter di mana dua jenis teknik terakhir adalah inti dari pembuatan PCB. Ada juga banyak teknik pada transmisi pembuatan PCB kecepatan tinggi dan struktur dasar yang umum digunakan adalah microstrip dan strip line. Seperti yang berkaitan dengan garis transmisi PCB kecepatan tinggi, Z₀ yaitu parameter impedansi dan t_pd yaitu waktu penundaan propagasi adalah variabel yang paling penting. Seperti yang sebenarnya, jika struktur microstrip berbeda dari strip line, rumus perhitungan juga akan berbeda. Namun, dalam hal apa pun, impedansi selalu merupakan struktur geometris garis transmisi. Dalam sebagian besar situasi, konstanta dielektrik sebagian bahan PCB dipengaruhi oleh frekuensi, tingkat penyerapan air, temperatur dan karakteristik listrik. Untuk PCB dua lapis atau multilayer, konstanta dielektrik mereka dipengaruhi oleh proporsi resin dan silikon dalam bahan PCB.

Bahan PCB yang paling umum digunakan saat ini adalah FR4. Biasanya, pemasok bahan PCB menunjukkan nilai konstanta dielektrik yang akan digunakan oleh teknisi proyek. Dalam aplikasi praktis, parameter nilai biasanya diperoleh dalam situasi 1MHz sementara dalam hal situasi kecepatan tinggi, konstanta dielektrik memiliki perubahan yang jelas seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1.

Tiga kurva dalam Gambar 1 merujuk pada proporsi yang berbeda antara silikon dan resin. Di antara tiga kurva, kurva A yang tertinggi, B sedang dan C terendah. Jika operator tidak memperhatikan perbedaan, penyimpangan besar mungkin terjadi antara hasil perhitungan atau simulasi dan situasi praktis pada impedansi dan waktu penundaan propagasi, yang akan mempengaruhi desain integritas sinyal sistem kecepatan tinggi.

Masalah Sudut 90°

Sudut 90° harus dihindari dalam routing PCB dalam sebagian besar dokumen karena mungkin menyebabkan diskontinuitas impedansi dan radiasi Interferensi Elektromagnetik (EMI). Dari sudut pandang teori, perubahan lebar sudut 90° cukup besar, yang mengakibatkan impedansi besar dan diskontinuitas impedansi yang serius. Dari sudut pandang praktis, daya elektromagnetik cenderung berkumpul di sudut routing dan semakin runcing sudutnya, semakin banyak daya yang berkumpul. Berdasarkan analisis di atas, radiasi EMI menjadi paling mencolok di sudut 90°.

Namun beberapa peneliti menemukan bahwa pengaruh sudut 90° pada impedansi berada dalam 10%. Untuk lebar routing 6mil, jika itu menjadi panjang kunci, maka itu akan berada dalam rentang THz. Jadi, dapat diestimasi bahwa sudut 90° pasti akan menyebabkan diskontinuitas impedansi dalam situasi praktis.

Oleh karena itu, dalam routing PCB praktis, setidaknya dalam rentang GHz, tidak perlu menghindari sudut 90° dengan biaya apa pun.

Prinsip 20-H

Sejak munculnya prinsip 20-H oleh KNG, ini telah diterima sebagai prinsip utama untuk desain PCB kecepatan tinggi. Bahkan beberapa peneliti menunjukkan bahwa prinsip ini mampu membantu densitas elektromagnetik sekitar pada lapisan PCB yang berkaitan menurun dengan kira-kira 70%. Selain itu, ini juga memainkan peran efektif dalam mengurangi radiasi EMI keluar. Namun, banyak eksperimen tidak mendukung harapan para peneliti.

Beberapa eksperimen menunjukkan bahwa untuk PCB dua lapis, prinsip 20-H menyebabkan radiasi yang lebih serius sementara untuk PCB multilayer, penggunaan prinsip 20-H pada lapisan medium dalam tidak membawa perbaikan yang jelas.

Parameter Kapasitor Filter

Kapasitor filter adalah ukuran yang terbukti efektif dan ekonomis yang digunakan untuk memecahkan masalah EMC dalam sistem elektronik. Namun, sistem elektronik kecepatan tinggi membawa persyaratan baru pada kinerja dan desain yang dapat diterapkan kapasitor filter. Modul sederhana kapasitor filter ditunjukkan sebagai Gambar 2.

Itu harus memenuhi persyaratan berikut: Z_C< Z_S// Z_L (Z_C=1/2πfC). Kesalahan umum menunjukkan bahwa asalkan Z_C lebih kecil dari Z_L, tujuan kapasitor filter dapat tercapai. Sebenarnya, parameter kapasitor filter tidak dapat ditentukan kecuali nilai Z_S dan Z_L ditetapkan.

Namun, dalam sirkuit kecepatan tinggi, baik Z_S maupun Z_L bukan resistansi murni, membutuhkan nilai kompleks. Sementara itu, Z_C bukan kapasitansi murni dalam sirkuit kecepatan tinggi dan baik resistansi seri ekivalen maupun induktansi seri ekivalen harus dipertimbangkan. Semua ini adalah kesulitan dalam aplikasi kapasitor filter dalam sistem elektronik kecepatan tinggi. Setelah desainer mengabaikan aspek ini, perbedaan yang jelas akan terjadi antara hasil perhitungan atau simulasi dan praktik.

Kemasan Silikon

Desainer PCB cenderung memberikan perhatian paling besar pada tata letak PCB dan interkoneksi antara komponen pada PCB dan mengabaikan signifikansi kemasan komponen. Sebenarnya, ini mungkin akan menghasilkan konsekuensi serius untuk desain PCB kecepatan tinggi. Kemasan silikon mempengaruhi kinerja silikon melalui induktansi parasit, resistansi parasit dan kapasitansi parasit yang melewati garis koneksi dan kaki. Parameter ini akan menghasilkan kebisingan, keterlambatan komunikasi, tepi rate dan respon frekuensi. Parameter parasit dari berbagai kemasan mungkin berbeda banyak. Untuk silikon dengan sirkuit yang sama dan kemasan yang berbeda, kinerja mereka menunjukkan karakteristik yang berbeda.

Sebenarnya, untuk sistem elektronik kecepatan tinggi, desain silikon, desain kemasan dan desain tingkat papan tidak pernah independen satu sama lain. Untuk alur desain silikon, paket yang sesuai harus dipilih sesuai dengan PCB. Tata letak keseluruhan desain silikon dipengaruhi oleh teknik dan elemen tingkat papan. Untuk kemasan silikon, kecocokannya dengan PCB adalah elemen yang harus dipertimbangkan. Yang lebih penting, paket yang sesuai sangat membantu dalam hal integritas tingkat papan dan masalah EMC/EMI. Oleh karena itu, kemasan silikon tidak pernah boleh diabaikan atau diperreemehkan.

Interferensi Radiasi Arus Common-Mode

Dalam kabel transmisi sinyal PCB, ada arus diferensial-mode yang mengirimkan sinyal berguna dan arus common-mode tanpa informasi berguna yang keduanya menghasilkan radiasi EMI.

Karena arusnya relatif tinggi, arus diferensial-mode telah ditekankan oleh desainer sirkuit dengan pembentukan teori dan teknik mengontrol radiasi EMI arus diferensial-mode. Akibatnya, beberapa alat EDA memiliki fungsi simulasi dan prediksi radiasi EMI arus diferensial-mode. Namun, dibandingkan dengan arus diferensial-mode, arus common-mode jauh lebih kecil, dengan mudah menyebabkan pengabaian desainer terhadap radiasi EMI arus common-mode.

Namun, menurut penelitian terbaru, meskipun arus common-mode jauh lebih kecil dari arus diferensial-mode, interferensi radiasi EMI yang dihasilkan oleh yang pertama jauh lebih besar dari yang terakhir. Hingga saat ini, radiasi EMI arus common-mode telah menjadi salah satu sumber interferensi radiasi utama pada papan sirkuit canggih kecepatan tinggi. Yang lebih buruk, pembentukan radiasi EMI arus common-mode telah memiliki alasan yang rumit dan baik simulasi maupun prediksi tidak dapat dicapai. Selain itu, penelitian tentang mengontrol radiasi EMI arus common-mode masih berlangsung.

Oleh karena itu, saat mendesain PCB kecepatan tinggi, tidak andal untuk mensimulasikan dan memprediksi radiasi EMI hanya berdasarkan radiasi EMI arus diferensial-mode.

Sumber yang Membantu
• Tips Tata Letak Kecepatan Tinggi
• Teknik Routing PCB Kecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI
• Penelitian Desain PCB Kecepatan Tinggi dalam Sistem Aplikasi Tertanam
• Pemrosesan Isometrik Diferensial dan Verifikasi Simulasi Desain PCB Kecepatan Tinggi
• Cara Mendesain Ground Plane untuk PCB Kecepatan Tinggi
• Tantangan Desain PCB Kecepatan Tinggi pada Integritas Sinyal dan Solusinya
• Metode Penekanan Refleksi Sinyal dalam Tata Letak PCB Kecepatan Tinggi
• Analisis Integritas Sinyal dan Desain PCB pada Sirkuit Digital-Analog Campuran Kecepatan Tinggi
• Layanan Manufaktur PCB Lengkap dari PCBCart - Opsi Nilai Tambah Berbagai
• Layanan Assembly PCB Canggih dari PCBCart - Mulai dari 1 potong