Užitečná doporučení pro návrh high-speed DPS

Říká se, že víc hlav víc ví, a to rozhodně platí i v oblasti návrhu desek plošných spojů, zejména když se jedná o přenos rychlých signálů.

Protože už sám desky léta nenavrhuji, netroufám si nabízet vlastní doporučení, ale mohu zde tlumočit názory jiných. Byly získány na různých konferencích a v odborných periodicích. Jejich autory jsou lidé, kteří jsou v tomto oboru pokládáni za skutečné experty, a tak mohou být tyto informace jistě užitečné pro řadu návrhářů.

Obecná doporučení

1. Proud teče pouze uzavřeným okruhem – každý signál musí mít cestu zpět a pro správný návrh desky je potřeba vědět, kde ta cesta je [1].
2. Souvislá vodivá plocha představuje nejlepší cestu pro návrat signálu, kdy zpětná cesta signálu vede přímo pod plošným spojem.
3. Co nejtěsnější vazba mezi plošným spojem a cestou návratu signálu snižuje indukčnost a zvyšuje kapacitu – to vede k nízké impedanci při přenosu signálu s nízkou induktivní ztrátou a slabým elektromagnetickým polem [4].

Téma měděné plochy

1. Dělení nebo jiné přerušení souvislé vodivé plochy způsobuje při návratu signálu problém. Z tohoto důvodu není vhodné pokládat do vodivé plochy plošné spoje nebo ji jinak přerušovat [2].
2. Šrafovaná měděná plocha není vhodná pro návrat rychlých signálů, protože není souvislá a nepokrývá danou oblast desky na 100 %. Čím menší pokrytí plochy má šrafovaná plocha, tím více se zhoršují podmínky pro návrat signálu. Používat pouze tam, kde to je nutné, například u ohebných desek. Měla by být provedena pod úhlem 45 ° a signálové spoje by měly vést přes průsečíky šrafování [3].
3. Pokud je potřeba rozdělit napájecí plochy kvůli různému potenciálu, např. GND a AGND (tzv. split plane), potom by měla být mezera mezi nimi několikanásobně větší, než je tloušťka desky [2].
4. Pokud se napájecí plochy dělí (nahoře i dole), potom by měly mít stejný tvar a velikost a neměly by se navzájem překrývat [2].
5. Okraje měděné plochy by měly být od hran desky vzdálené alespoň 1 mm [2].
6. Složení vrstev desky s měděnými plochami by mělo být vyrovnané, to znamená, že jednotlivé vnitřní signálové vrstvy desky by měly být mezi sebou odděleny vrstvou měděné plochy [5].

Doporučení pro routování [2]

1. Při zakličkování plošného spoje kvůli dodržení požadované délky by neměly být jednotlivé meandry kliček příliš u sebe, doporučená minimální vzdálenost je 3–4 výšky spoje nad vodivou plochou.
2. Nepokládat plošné spoje s velmi rychlými signály podél řady propojovacích otvorů (vias) nebo pájecích plošek (BGA, konektory).
3. Použít větší mezeru k vzájemnému oddělení sběrnic, diferenciálních párů, hodin, spojů s různým napětím či logických skupin atd.
4. Seřadit via otvory, aby plošné spoje měly volný průchod a mohly být přímé a krátké.
5. Před započetím interaktivní práce spustit autorouter a s jeho pomocí se ujistit, že rozmístění součástek a počet vrstev budou vyhovovat.
6. Na vnějších stranách desky routovat pouze pomalé signály, spoje pro rychlé signály a diferenciální páry umístit na vnitřní vrstvy.
7. Jakékoliv volné místo na desce by mělo být využito pro zvětšení mezery mezi spoji.
8. Nepoužívat užší plošné spoje a mezery, než je nezbytně nutné.
9. Na každé signálové vrstvě by měl být co nejvíce dodržen určitý směr routování.

Pro užitečné rady a doporučení však není potřeba se obracet jen do zahraničí – vždyť i u nás máme odborníky na návrh desek. Na webových stránkách časopisu DPS jsou k dispozici prezentace přednášek ze seminářů „DPS a vše kolem nich“ (www.dps-az.cz/seminare), kde např. přednášky Ing. Víta Záhlavy, CSc., jsou bohatým zdrojem informací na téma návrhu desek, včetně návrhu s rychlými obvody [5, 6].

Literatura:

[1] Douglas Brooks, president UltraCAD Design: Electromagnetic Fields and Signal Integrity, PCB West 2015

[2] Suzy Webb, Design Services: Basic Printed Circuit Board Design, PCB West 2015

[3] Polar Instruments: Application Note AP534

[4] Rick Hartley, RHartley Enterprises: Differential Pair Routing for SI Control, PCB West 2015

[5] Ing. Vít Záhlava, CSc: Návrh DPS s číslicovými součástkami (www.dps-az.cz/seminare/amper-2015/os-dps)

[6] Ing. Vít Záhlava, CSc: Přehled pravidel pro návrh DPS (www.dps-az.cz/seminare/amper-2014/os-dps)