I PCB-design kan routing ses på tre brede niveauer. Det første niveau er grundlæggende forbindelse. Dette er det mest grundlæggende krav i printkortdesign. Hvis nettene ikke forbindes, har printet ingen grundlæggende funktion. Så er printet skrot. Tal ikke om andre ting.
Det andet niveau er ydeevne. Det er målet for, hvor godt et printkort er. Efter routing skal vi tænke over, hvordan vi opnår den bedste ydeevne. Vi skal undgå forskellige former for interferens. Vi skal også holde signalerne stabile og rene.
Det tredje niveau er udseendet. Sporene kan forbindes, og kortet kan have en god elektrisk ydeevne, men layoutet kan stadig se rodet ud. I så fald skal vi sørge for, at routing ser pænt ud. Pæn routing hjælper med senere test og reparation. Pæn routing viser også en senioringeniørs færdigheder.
Sådan får du en god rute
Routing-metoder kan variere meget. For at undgå problemer som reflekterede signaler, når indgangs- og udgangsspor løber tæt og parallelt, og for at undgå parasitær kobling, når spor på to tilstødende lag løber parallelt, skal vi tænke på mange faktorer. Hvis interferensen er stærk nok, fungerer printet måske slet ikke. Nedenfor er nogle anbefalede regler for PCB-routing. “Fem-fem”-reglen (regel for valg af lag)
Denne regel hjælper med at vælge antallet af PCB-lag. Når clockfrekvensen når 5 MHz, eller pulsstigningstiden er mindre end 5 ns, skal printkortet være et flerlagskort. Dette er en almindelig regel.
Nogle gange vælger folk stadig et to-lags kort på grund af prisen. Hvis du bruger to lag, så prøv at bruge hele den ene side som et solidt jordplan. Det hjælper på ydeevnen.
Blandede digitale og analoge grundregler
Nu har mange printkort både digitale og analoge kredsløb. Ved routing skal man tænke på interferens mellem dem, især støj på jorden. Digitale kredsløb arbejder med høj frekvens. Analoge kredsløb er ofte følsomme.
Til signaler skal du holde højfrekvente spor langt fra følsomme analoge dele. Når det gælder jordforbindelse, har hele printet én node til omverdenen. Så du skal behandle digital og analog jordforbindelse inde i printet omhyggeligt.
Inde i printet er digital jord og analog jord ofte adskilt og ikke forbundet med hinanden. De forbindes kun på det sted, hvor printet har forbindelse til omverdenen, f.eks. et stik. Sørg for, at digital jord og analog jord har en kort forbindelse i et enkelt punkt. Nogle systemer vælger måske ikke at dele jord på printet. Følg beslutningen om systemdesign.
Håndtering af komponentledninger i store kobberområder
Store kobberjord- eller strømområder møder ofte mange komponentledninger. Ved håndtering af komponentledninger skal vi finde en balance mellem elektrisk ydeevne og montering.
Fra et elektrisk synspunkt bør en pad være fuldt forbundet med kobber for at få den bedste ydelse. Men fulde kobberpads skaber problemer ved lodning. Problemerne omfatter:
Lodning kræver meget varme fra loddekolben.
Det er lettere at få kolde eller svage loddefuger.
Lav termiske aflastningspuder for at skabe balance mellem elektriske behov og produktion. En almindelig form er en krydsformet pude. Dette kaldes termisk aflastning eller termisk pad. Den hjælper med at lodde ved at isolere puden termisk fra store kobberflader. Termiske puder reducerer risikoen for kolde lodninger. Behandl vias, der forbinder strøm- og jordlag, på samme måde i en flerlagsplade.
Regler for gittersystem
Et gitterjordsystem eller meshjord hjælper med at reducere sporinduktansen og giver en god returvej for RF-strømme. Men vær forsigtig med gittertætheden.
Hvis gitteret er for tæt, vil der være mange små mesh-trin. Det genererer en masse layoutdata. Det kræver mere lagerplads og gør CAD-værktøjerne langsommere. Nogle gitterstier er også ubrugelige, fordi de er optaget af komponentpuder eller monteringshuller. Hvis gitteret er for tyndt, bliver routing svært, og routing-succesen falder.
Så vælg en rimelig gittertæthed. Standardafstanden mellem komponenternes ledninger er 2,54 mm (0,1 tomme). Så et basisgitter på 0,1 tomme eller en pæn delmængde er almindeligt. Eksempler: 0,05 tommer, 0,025 tommer, 0,02 tommer og så videre.
Sådan tjekker du efter routing
Når du er færdig med PCB-routing, skal du kontrollere, om designet følger reglerne, og om det overholder produktionsgrænserne. Nedenstående kontroller er almindelige.
Områder, der skal kontrolleres, omfatter: generelle PCB-designtegninger, PCB-elektriske kontroller, PCB-fysiske kontroller, mekaniske designfaktorer, PCB-monteringskrav, board breakout-behov, mekaniske overvejelser, elektriske bekymringer, routing-stier og placering, sporbredde og -tykkelse, sporafstand, sporformkontroller og en liste over designelementer.
Praktisk tjekliste
Tjek, om afstanden mellem vias er rimelig.
Tjek, om bredden på strøm- og jordsporet passer til de aktuelle behov.
Tjek, om de vigtigste signalspor bruger de bedste foranstaltninger (kort vej, kontrolleret impedans, afskærmning).
Tjek, om analoge og digitale dele har separate jordforbindelser, hvis det er nødvendigt.
Tjek, om ekstra kobbermønstre på printet kan kortslutte signaler.
Tjek, om pladen har de nødvendige fabrikationslinjer eller markeringer for fabrikken.
Kontroller, om strøm- og jordplanets kanter i et flerlagskort har den nødvendige indsætning.
Casestudie om routing og vigtige regler
Routing er en stor del af printdesignet. Routing tager ofte mest tid. Ingeniører bør følge grundlæggende regler ved routing, f.eks. affasningsregler og 3W-reglen.
Regel om jordsløjfe
Reglen om det mindste loop betyder, at det område, der omsluttes af et signal og dets returvej, skal være så lille som muligt. Jo mindre loop-området er, jo mindre vil kortet udstråle, og jo mindre vil det modtage ekstern støj.
Når du opdeler jordplaner, skal du tænke på, hvordan planets form og vigtige signalveje passer sammen. Undgå problemer med slidser i jordplanet, der øger looparealet.
På design med to lag skal der være nok plads til strøm. Fyld den anden plads med referencejordkobber. Tilføj de nødvendige ground vias for at forbinde de to sider af printet. Brug jordisolering til nøglesignaler. Brug flerlagskort til højfrekvente designs.
Regel om afskærmning og beskyttelse
Afskærmning er en anden måde at reducere loop-området og mindske strålingen. Brug afskærmning til vigtige signaler som f.eks. clock- og synkroniseringssignaler.
Til meget kritiske eller meget højfrekvente signaler kan du bruge en kobberafskærmning eller et coax-lignende design. Omgiv det førte spor på alle sider med jord. Planlæg også, hvordan skærmens jordforbindelse skal forbindes til hovedjordplanet.
Regel for kontrol af krydstale
Crosstalk betyder interferens mellem forskellige net på printet. Det kommer af lang parallelføring. Årsagen er fordelt kapacitans og induktans mellem parallelle spor.
Vigtigste måder at bekæmpe krydstale på:- Øg afstanden mellem parallelle spor. Følg 3W-reglen - Indsæt jordede beskyttelsesbaner mellem kritiske parallelle baner - Reducer afstanden mellem routinglaget og jordplanet.
Påmindelse om 3W-regler
For at reducere krydstale skal du holde sporafstanden stor. Hvis centerafstanden er tre gange sporbredden, er ca. 70% af feltet isoleret. Brug 10W for at isolere 98%.
Retningskontrol af spor
Hold retningen på tilstødende lag ortogonal. Undgå at køre spor i samme retning på tilstødende lag. Det reducerer lag-til-lag-koblingen. Hvis printkortets struktur tvinger til parallelle løb, især i højhastighedsdesign, skal du bruge jordplaner mellem routinglagene for at isolere dem. Brug også jordede beskyttelsesbaner mellem signalbaner.
Regel for kontrol af hængende spor
Lad ikke nogen netende flyde uden forbindelse. Flydende spor kan fungere som antenner. De forårsager ekstra udstråling og kan opfange støj. Undgå dette.
Kontrolregel for lukket kredsløb
Forhindrer, at et signal danner en sløjfe på tværs af forskellige lag. I flerlagskort forårsager sløjfer stråling. Hold øje med dette, og juster routing.
Regel for affasning
Undgå spidse eller skarpe vinkler i sporingshjørner. Skarpe hjørner kan forårsage uønsket stråling. De kan også være dårlige at fremstille. Brug bløde drejninger eller 45-graders vinkler.
Regel for afkobling af komponenter
Tilføj afkoblingskondensatorer efter behov. Afkobling filtrerer støj på strømledningerne. Placer afkoblingskondensatoren tæt på enhedens strømstift efter strømfilteret.
Integritet af strøm- og jordplaner
I områder med mange vias må man ikke lade vias skære planen over, så den deler sig i mindre dele. Plane splits øger loop-området og forårsager problemer med signalets returvej. Når du laver fanout, skal du holde afstanden mellem vias så stor, at du stadig kan føre mindst én ledning mellem vias.
Regel for overlapning af effektplan
Undgå overlapning af forskellige strømforsyninger i rummet. Det reducerer interferens mellem forsyningerne, især når de forskellige forsyninger har store spændingsforskelle. Hvis overlapning er uundgåelig, kan du overveje at tilføje et jordlag mellem dem.
20H-regel gentaget
Husk kanteffekten. Afstanden mellem strøm- og jordplan påvirker kantstrålingen. Indsæt effektplanet for at holde feltet inde i jordplanet. En indsættelse på 20H begrænser ca. 70% af feltet. En indsats på 100H begrænser ca. 98% af feltet.
Mere detaljerede regler og kontroller for routing
Kontrol af returvej
Planlæg altid signalets returvej. Et signal skal have en lavimpedans returvej under sig. Hold jordreturstierne korte.
Fanout og via planlægning
For tætte BGA- eller fine pitch-dele skal du planlægge fanout tidligt. Hold via-afstand, så der er plads til at føre signaler. Brug microvias eller blind vias til fanout, hvis det er nødvendigt i avancerede designs.
Impedans-kontrol
For højhastigheds single-ended spor eller differentielle par skal du kontrollere sporets bredde og afstand for at matche målimpedansen. Brug PCB-stack-up og dielektrikum til at beregne sporingsgeometrien.
Differentiel par-routing
Før differentielle par med samme længde. Hold afstanden stabil. Undgå stubbe. Hold bøjninger glatte.
Længdetilpasning og forsinkelse
For busser og grænseflader, der har brug for matchet timing, skal du matche rutelængden. Brug slangeformede spor til længdeindstilling. Hold serpentinmønstre glatte og korte i højden.
Termisk aflastning og termiske puder
Brug termisk aflastning, når du fastgør puder til stort kobber. Få paden til at forbinde til planet med eger. Det hjælper på lodningen.
Loddemaske og pastamaske
Kontrollér åbninger i loddemasken. Justér pastamasken for SMD-dele. Sørg for, at små pads har det korrekte pastaområde.
Design til test og montering
Efterlad testpunkter og monteringsmarkeringer. Hold plads til prober. Sørg for, at placeringen tillader lodning og inspektion.
Tjekliste for endelig routing (kort liste)
- Tjek, at alle net er tilsluttet - Kør DRC- og ERC-tjek - Tjek sporbredde og strøm - Tjek afstand for krydstale og spænding - Tjek afkobling og bulk-kondensatorer - Tjek plane splits og returveje - Tjek termiske aflastninger og pad-former - Tjek samling og testadgang.
Almindelige fejl at undgå
- At efterlade jordplanslidser under kritiske signaler - at føre højhastighedsspor ved siden af støjende strømspor - at bruge mange 90-graders hjørner - ikke at tilføje afkobling nær IC-stifter - at lade vias dele planer dårligt - ikke at planlægge fanout til tætte chips.
Afsluttende noter
Routing er en vigtig del af printkortdesign. Et godt routing-job giver korrekte forbindelser, god ydeevne og et godt udseende. Følg enkle regler. Hold sløjferne små. Kontrollér krydstale og returveje. Brug plane insets til kantkontrol. Brug afkobling til effektstøj. Brug termiske aflastninger til lodning. Brug et fornuftigt gitter til routing. Tjek kortet omhyggeligt efter routing.
Hvis du følger disse grundlæggende regler, vil du reducere EMI, forbedre signalkvaliteten og gøre kortet lettere at bygge og vedligeholde. Routing kræver omhu. Brug tid på planlægning og layout. Et godt layout betaler sig i form af sparet tid til test og reparation og i den endelige produktkvalitet.
