Správný přenos signálu začíná u správné impedance plošných spojů

Není pochyb o tom, že dodržení požadované impedance plošných spojů je základem pro dobrý přenos signálu v souvislosti s tzv. Signal Integrity. Podobně platí, že napájecí rozvody na desce plošných spojů musí být impedančně přizpůsobené tak, aby nepůsobily problémy celému systému. Otázkou tedy je, jak se návrhář desky dopracuje k dodržení správné impedance plošných spojů, zejména pak u diferenciálních párů, stejně jako k nízké impedanci napájecích rozvodů, při určité kombinaci rozložení vrstev u vícevrstvé desky. Protože je těžké, ne-li nemožné dopracovat se ke správným výsledkům jenom na základě zkušeností, existuje několik programů, které umožňují tyto úlohy řešit. Jsou to např. Hyperlynx SI (Signal Intergity) a PI (Power Intergity) od Mentor Graphics nebo programy firmy Polar Instruments, které zřejmě představují v tomto oboru špičku. Tyto programy ovšem zahrnují kromě kontroly impedance i řešení dalších navazujících úloh a jsou tak velmi komplexní, ale zároveň také poměrně drahé.

Obr. 1 Příklad řazení 8 vrstev DPS a výsledné impedance

Programy ICD Stackup Planner a ICD Power Distribution Network australské firmy In-Circuit Design Pty Ltd. (ICD) jsou naopak zaměřeny více méně pouze na kontrolu impedance plošných spojů a napájecích rozvodů. Mají podstatně jednodušší ovládání a jsou také cenově dostupnější.

Společnost ICD není na trhu s EDA programy žádným nováčkem. Vždyť jen programu ICD Stackup Planner je po celém světě více než 12 tisíc instalací. Navíc se posilou týmu této firmy stal bývalý klíčový pracovník firmy Hyperlynx, což jistě přispěje k ještě vyšší kvalitě jejích programů. V současné době byly uvedeny na trh nové verze programů Stackup Planner i Power Distrubution Network, které používají pro řešení úloh metodu konečných prvků. Podívejme se tedy alespoň stručně na hlavní charakteristiku obou těchto programů.

ICD Stackup Planner

Název Stackup Planner je odvozen od úlohy správného sestavení vrstev desky, které ovlivňuje výslednou impedanci plošných spojů na jednotlivých vrstvách. Přehozením, přidáním či odstraněním některé vrstvy desky, stejně jako změnou jejich parametrů se výsledné impedance v programu ihned přepočítají.

Program je určený pro plánování rozměrů a mezer plošných spojů na dané vrstvě desky tak, aby se dosáhlo požadované impedance, včetně diferenciálních párů. Přitom bere ohled na celkovou skladbu vrstev desky s přihlédnutím k jejich významu (signální, napájecí), použitým materiálům a jejich vlastnostem, a to i včetně nepájivé masky. Protože uživatel nemusí znát všechny hodnoty a koeficienty materiálů potřebné pro zadání, je v programu zabudována knihovna těchto údajů pro běžně dostupné materiály. Kalkulovaná impedance pro každou signální vrstvu zahrnuje Characteristic impedance (Zo), Edge Coupled Differencial impedance (Zdiff) a Broadside Coupled Differencial Impedance (Zdbs).

Obr. 2 ICD Power Distribution Network Planner

Pochopitelně lze program využít i obráceně ke kontrole různých typů impedancí plošných spojů na již navržené desce.

Nová verze programu má několik cenových variant, které jsou odvozené od nastavených limitů. Verze FX je základní verze pro analýzy na deskách s maximálně 6 vrstvami a jedním diferenciálním párem na každé signální vrstvě. Verze FX-Pro umožňuje pracovat až s 12 vrstvami a násobnými diferenciálními páry na každé signální vrstvě. Verze FX-HDI potom podporuje práci s neomezeným počtem vrstev a používá uživatelskou knihovnu dielektrických materiálů.

ICD Power Distribution Network Planner

Tento program (zkráceně ICD PDN Planner) je určen pro analýzu rozvodu napájení na desce plošných spojů, na jejímž základě lze provést opatření vedoucí k nízké impedanci přes celý frekvenční rozsah. Cílem je podstatně zvýšit výkon a hlavně spolehlivost navrženého produktu.

ICD PDN Planner má schopnost analyzovat neomezený počet konfigurací napájecích zdrojů současně. Typická vícevrstvá deska dnes používá několik napájení, která slouží různým účelům a která musí být nějakým způsobem ovládána s ohledem na power integrity během rychlého spínání proudu až do maximálního kmitočtu. Program analyzuje AC impedanci každého napájecího rozvodu v rozsahu kmitočtů od 0 až do 100 GHz a umožňuje zvládnout rezonanční špičky napájecích ploch třetí, páté a sedmé harmonické.

Uživatel si během analýzy může přidat neomezený počet blokovacích kondenzátorů. Okamžitá analýza napájecího zdroje, složení desky i napájecích kondenzátorů dohromady řeší úlohu vedoucí k požadované efektivní impedanci napájecích rozvodů desky.

Dodávaná knihovna s více než 300 dostupnými SMT kondenzátory zahrnuje jejich kapacitu, ESR, ESL, napětí, tolerance, dielektrický materiál a jejich pouzdro na desku. Uživatel si může tuto knihovnu doplňovat podle své potřeby.

www.icd.com.au