ทั้งหมด PCB ความเร็วสูง นักออกแบบรู้ความจริงข้อนี้: สัญญาณไม่เพียงแค่เดินทางไปข้างหน้าเท่านั้น แต่ยังต้องย้อนกลับอีกด้วย.
กระแสย้อนกลับมีนิสัย. โดยจะไหลบนระนาบอ้างอิงโดยตรงใต้ร่องรอยสัญญาณ. เมื่อสัญญาณเปลี่ยนชั้นผ่านทางผ่าน, กระแสที่ไหลย้อนกลับจะต้องเคลื่อนไปยังระนาบอ้างอิงใหม่ด้วย. โดยไม่ต้องมีสะพาน, มันต้องใช้ทางอ้อม. พื้นที่วงจะขยายออก, และ EMI เพิ่มขึ้นทันที.
สถานการณ์การเปลี่ยนผ่านสามเลเยอร์
สถานการณ์ 1: ระนาบกราวด์เดียวกัน. สัญญาณจะย้ายจาก L1 ไป L3, ทั้งสองอ้างอิงถึงระนาบกราวด์ L2. เส้นทางกลับยังคงไม่เปลี่ยนแปลง. ไม่จำเป็นต้องดำเนินการใดๆ.
สถานการณ์ 2: เครื่องบินภาคพื้นดินที่แตกต่างกัน. สัญญาณเปลี่ยนจาก L1 (อ้างอิงถึงกราวด์ L2) ถึง L6 (อ้างอิงถึงกราวด์ L5). ระนาบกราวด์ทั้งสองไม่ได้เชื่อมต่อกัน. การแก้ปัญหา: สถานที่เย็บผ่าน ถัดจากสัญญาณผ่านเชื่อมระนาบกราวด์ทั้งสอง.
สถานการณ์ 3: การอ้างอิงกราวด์ถึงกำลัง. นี่เป็นกรณีที่ท้าทายที่สุด. สัญญาณเคลื่อนจาก L1 (อ้างอิงถึงกราวด์ L2) ถึง L4 (อ้างอิงถึง L3 VCC). กำลังไฟฟ้าและกราวด์เป็นแบบแยก DC. การเชื่อมต่อโดยตรงผ่านเป็นไปไม่ได้. ทางออกเดียวคือกตัวเก็บประจุแบบเย็บ, ซึ่งช่วยให้กระแสไฟฟ้าไหลกลับความถี่สูงจากระนาบกำลังกลับสู่พื้นได้.
คุณควรส่งคืนผ่านทางไกลแค่ไหน?
ระยะทางเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ. ขอบเขตบนถูกควบคุมโดยความยาวคลื่นที่ความถี่สูงสุดที่น่ากังวล. ความยาวคลื่นใน พีซีบี อิเล็กทริกคือ:
แล = ค / (ฉ × √Dk)
โดยที่ c คือความเร็วแสง (3×10⁸ ม./วินาที), f คือความถี่ของดอกเบี้ย, และ Dk คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่มีประสิทธิผล.
กฎระยะห่างมาตรฐาน: สูงสุดผ่านระยะห่าง ≤ แลม/20. เพื่อให้แน่ใจว่าช่องว่างระหว่างจุดแวะที่อยู่ติดกันนั้นเล็กพอที่จะสัมพันธ์กับความยาวคลื่นเพื่อหลีกเลี่ยงการทำหน้าที่เป็นเสาอากาศแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพ.
สำหรับวัสดุ FR-4 (ดเค µ 4), ระยะห่าง แล/20 ที่ความถี่ต่างๆ คือ:
| ความถี่ | แล ใน FR-4 | ระยะห่าง แล/20 |
|---|---|---|
| 1 กิกะเฮิรตซ์ | 150 มม | 7.5 มม |
| 3 กิกะเฮิรตซ์ | 50 มม | 2.5 มม |
| 5 กิกะเฮิรตซ์ | 30 มม | 1.5 มม |
| 10 กิกะเฮิรตซ์ | 15 มม | 0.75 มม |
| 20 กิกะเฮิรตซ์ | 7.5 มม | 0.375 มม |
กฎทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติยืนยันแนวโน้มนี้: ด้านล่าง 1 กิกะเฮิรตซ์, เก็บผลตอบแทนผ่านทางภายใน 200 ล้านสัญญาณผ่าน; 1–5 กิกะเฮิร์ตซ์, ภายใน 100 MIL; 5–15 กิกะเฮิร์ตซ์, ภายใน 50 MIL; ข้างบน 15 กิกะเฮิรตซ์, ภายใน 20 มิล — ใกล้ที่สุด.
กฎทั่วไปอีกข้อหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย: ภายใต้สภาวะปกติ, ระยะห่างไม่ควรเกิน 2.5 × ความหนาของอิเล็กทริก; ข้างบน 10 กิกะเฮิรตซ์, ขันให้แน่นเป็น 1.5×. ตัวอย่างเช่น, โดยมีความหนาของชั้นอิเล็กทริกเท่ากับ 0.2 มม, ต้องวางการส่งคืนผ่านไว้ภายใน 0.5 มม.
มีจุดแวะกลับกี่จุด? พารามิเตอร์คืออะไร?
การเลือกปริมาณ:
- สัญญาณปลายเดียวผ่านความต้องการอย่างน้อย 1 กลับผ่าน.
- ด้านล่าง 5 Gbps, 1 ก็เพียงพอแล้ว.
- 10–25 กิกะบิตต่อวินาที: 2 ที่แนะนำ.
- 56 Gbps ขึ้นไป: 3–4 แนะนำ.
ข้อมูลที่วัดได้แสดงให้เห็นว่าเพิ่มขึ้นจาก 1 ถึง 4 จุดแวะกลับช่วยเพิ่มการสูญเสียการแทรกได้มากกว่า 3 เดซิเบลที่ 10 กิกะเฮิรตซ์.
สำหรับคู่ที่แตกต่างกัน: ควรวางจุดกลับอย่างน้อยสองจุดอย่างสมมาตรทั้งสองข้างของส่วนต่างผ่านคู่. สำหรับความถี่ข้างต้น 10 กิกะเฮิรตซ์, แนะนำให้ใช้จุดแวะกลับสี่แห่ง, เรียงเป็นแนวทแยงหรือเป็นรูปสี่เหลี่ยมล้อมรอบช่องเวียคู่. ความสมมาตรของเส้นทางกลับมีความสำคัญพอๆ กับความสมมาตรของการติดตาม - เส้นทางกลับที่ไม่สมมาตรทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป.
ผ่านพารามิเตอร์มิติ:
ในการออกแบบทั่วไป, สัญญาณผ่านมิติต่างๆ ได้แก่: เส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะ 0.2–0.3 มม, แผ่นรอง 0.4–0.5 มม, แผ่นป้องกัน 0.6–0.8 มม. สำหรับ IPC-2221, เส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะทะลุมาตรฐานคือ 0.3 มม. มีเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่น 0.6 มม. IPC-2221 แบ่งประเภทเส้นผ่านศูนย์กลางรูขั้นต่ำออกเป็นสามระดับความหนาแน่น — ทั่วไป (อัน), มาตรฐาน (ข), และความหนาแน่นสูง (C) — ด้วยความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลางพินสูงสุดบวก 0.25 มม, 0.20 มม, และ 0.15 มม. ตามลำดับ. โดยทั่วไปอัตราส่วนภาพผ่านจะจำกัดอยู่ที่ 10:1.
ข้างบน 10 กิกะเฮิรตซ์, ลดเส้นผ่านศูนย์กลางของสว่านลงเหลือ 0.15–0.2 มม.จุดข้อมูลที่สำคัญ: ใน 28 แอปพลิเคชั่น GHz mmWave, ลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของสว่านจาก 0.3 มม. ถึง 0.2 มม. ช่วยเพิ่มการสูญเสียการแทรกโดยประมาณ 0.8 เดซิเบล/นิ้ว. ที่ 28 กิกะเฮิรตซ์, แม้แต่วัสดุ FR-4 ระดับพรีเมียมก็ยังแสดงการสูญเสียการแทรกที่ 1–3 dB/cm3 — ทุกเดซิเบลจะตัดไปที่ระยะขอบของลิงก์โดยตรง.
การเหนี่ยวนำปรสิตของ single via ถูกกำหนดโดยเรขาคณิตของมัน:
L_เวีย หยาบคาย (5.08 × ชม) × [ln(4ชั่วโมง/วัน) + 1] เอ็นเอช
โดยที่ h คือความยาวทะลุเป็นนิ้ว และ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางของสว่านเป็นนิ้ว. การเจาะทั่วไปขนาด 12 มิลในความหนาของกระดาน 62 มิลให้ผลตอบแทนประมาณ 0.95 nH ของการเหนี่ยวนำ, เป็นตัวแทนของเกี่ยวกับ 6 Ω ของความต้านทานที่ 1 กิกะเฮิรตซ์จุดกลับทางกลับแบบขนานหลายจุดลดการเหนี่ยวนำที่มีประสิทธิภาพตามสัดส่วน: L_มีประสิทธิภาพ = L_via / n. นี่คือเหตุผลว่าทำไมการออกแบบความถี่สูงจึงต้องมี Return Vias หลายครั้ง — Via เดียวไม่สามารถระงับอิมพีแดนซ์ระหว่างระนาบเพียงอย่างเดียวได้.
ตัวเก็บประจุแบบเย็บ: ทางออกเดียวสำหรับการเปลี่ยนจากกำลังสู่พื้น
เมื่อเปลี่ยนจากการอ้างอิงภาคพื้นดินไปเป็นการอ้างอิงกำลัง, ทางเลือกเดียวคือกตัวเก็บประจุแบบเย็บ.
การเลือกตัวเก็บประจุไม่สามารถกำหนดเองได้ตัวเก็บประจุจะมีความจุต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเองเท่านั้น ซึ่งสูงกว่านั้น, มันกลายเป็นอุปนัย. แนวทางการคัดเลือก:
- ด้านล่าง 500 เมกะเฮิรตซ์ → 100 เอ็นเอฟ
- 500 เมกะเฮิรตซ์ – 2 กิกะเฮิร์ตซ์ → 10 เอ็นเอฟ
- ข้างบน 2 กิกะเฮิร์ตซ์ → 1 nF หรือน้อยกว่า
ขนาดบรรจุภัณฑ์มีความสำคัญ: 0201 หรือ 01005 - การเหนี่ยวนำปรสิตต่ำสุด. ตัวเหนี่ยวนำอนุกรมที่เทียบเท่า (ภาษาอังกฤษเป็นภาษาที่สอง) ของตัวเก็บประจุแบบเย็บจะต้องเป็น ≤ 0.3 nH เพื่อให้มั่นใจถึงปฏิกิริยารีแอคทีฟด้านล่าง 1 Ω ณ 5 กิกะเฮิรตซ์. เมนบอร์ดเซิร์ฟเวอร์ระดับไฮเอนด์ครั้งหนึ่งเคยใช้แพ็คเกจ 0603 10 ตัวเก็บประจุ nF (ภาษาอังกฤษเป็นภาษาต่างประเทศ = 0.85 เอ็นเอช) บน PCIe 4.0 เลน, ส่งผลให้ 23% การลดความสูงของสายตาที่ตัวรับและอัตราความผิดพลาดของบิตเกินเกณฑ์ 10⁻¹².
ตำแหน่ง: วางตัวเก็บประจุไว้ภายใน 50 ล้านสัญญาณผ่าน, โดยมีจุดแวะอย่างน้อยสองจุดจากปลายแต่ละด้านไปยังระนาบที่สอดคล้องกัน. การปฏิบัติงานด้านวิศวกรรมแนะนำกกลยุทธ์คู่ขนานหลายขั้นตอน: ใช้ 0.1–1 nF เป็นตัวเก็บประจุเย็บหลัก.
กฎยากห้าข้อ
- ทุกสัญญาณผ่านจะต้องมีการย้อนกลับผ่านหรือต่อตัวเก็บประจุใกล้เคียง — ใกล้ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้.
- ห้ามส่งสัญญาณข้ามระนาบอ้างอิงที่แยกออก - หากหลีกเลี่ยงไม่ได้, วางตัวเก็บประจุแบบเย็บไว้ที่จุดข้าม.
- สัญญาณความเร็วสูงควรเปลี่ยนระหว่างเลเยอร์ที่อ้างอิงระนาบเดียวกันเป็นพิเศษ - หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนจากพื้นสู่พลังงาน.
- เลือกส่งกลับโดยเว้นระยะห่างตามความถี่ — แล/20 คือขีดจำกัดบน, ไม่ใช่ค่าที่แนะนำ.
- เมื่อระนาบกำลังทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิง, วางตัวเก็บประจุแยกความถี่สูงเพิ่มเติมอีกสองตัว (0.01 ไมโครเอฟ) ใกล้จุดเปลี่ยน.
ประโยคหนึ่งที่ต้องจำ
ก่อนที่สัญญาณจะเปลี่ยนชั้น, วางแผนเส้นทางกลับก่อน. กระแสย้อนกลับไม่สนใจความตั้งใจในการซ้อนของคุณ - มันเป็นไปตามหลักฟิสิกส์. หากไม่ระบุเส้นทาง, มันจะพบสิ่งหนึ่ง — และเส้นทางนั้นก็จะเปล่งประกาย.
ต้องการใบเสนอราคาสำหรับโครงการ PCB ความเร็วสูงถัดไปของคุณ? ไม่ว่าคุณกำลังออกแบบแบ็คเพลนอีเธอร์เน็ต 10G, อินเทอร์เฟซ PCIe Gen5/6, หรือบอร์ด RF 5G mmWave, การส่งคืนอย่างเหมาะสมผ่านตำแหน่งเป็นสิ่งสำคัญต่อความสำเร็จในการส่งบอลครั้งแรกติดต่อทีมออกแบบและผลิต PCB ของเราวันนี้เพื่อรับการตรวจสอบ DFM ฟรีและเสนอราคาด่วน.
การประกาศแหล่งข้อมูล
ข้อมูลทางเทคนิคและกฎการออกแบบที่อ้างถึงในบทความนี้ได้มาจากแหล่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ต่อไปนี้:
- ไอพีซี-2221C -มาตรฐานทั่วไปเกี่ยวกับการออกแบบแผ่นพิมพ์ - ผ่านเส้นผ่านศูนย์กลางรู, เบาะ, อัตราส่วนภาพ, และข้อกำหนดการออกแบบอื่น ๆ
- ไอพีซี-6012F -ข้อกำหนดคุณสมบัติและประสิทธิภาพสำหรับบอร์ดพิมพ์แข็ง — ข้อกำหนดความทนทานของรูและระดับการผลิต
- ทรัพยากรทางวิชาการจังหวะ — RF ผ่านการเปลี่ยนในการออกแบบความเร็วสูง
