Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Leiterplatte Blog - Zuverlässigkeit Design von High Speed DSP System PCB Board

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Zuverlässigkeit Design von High Speed DSP System PCB Board

2022-07-20
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Author:pcb

Die Eigenschaften der Hochgeschwindigkeits-DSP-System-Leiterplatte und mehrere Probleme, die beim Zuverlässigkeitsdesign beachtet werden sollten, einschließlich Netzteilentwurf, Software- und Hardware-Anti-Jamming-Design, elektromagnetische Kompatibilität, Wärmeableitungsdesign und die Verdrahtungsmethode wichtiger Signalleitungen von Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen, machen jedes Design effizienter. Vernünftig und einfach umzusetzen. Aufgrund der schnellen Entwicklung der Mikroelektronik-Technologie entwickelt sich das digitale elektronische System, das aus IC-Chips besteht, schnell in Richtung des großen Maßstabs, des kleinen Volumens und der hohen Geschwindigkeit, und die Entwicklungsgeschwindigkeit wird immer schneller. Die Anwendung neuer Geräte führt zu einer hohen Schaltungsdichte im modernen EDA-Design, und die Frequenz der Signale ist auch sehr hoch. Mit dem Einsatz von Hochgeschwindigkeitsgeräten wird es immer mehr High-Speed DSP (Digital Signal Processing) Systemdesigns geben. Das Signalproblem wird zu einem bedeutenden Problem in Designs, die sich durch ständig steigende Systemdatenraten, Taktraten und Schaltungsdichten auszeichnen und deren Leiterplatten so ausgelegt sind, dass sie ein sehr anderes Verhalten als bei Low-Speed-Designs aufweisen, d. h. Signalintegritätsprobleme, Störverschlimmerungsprobleme, elektromagnetische Kompatibilitätsprobleme usw. Diese Probleme können Signalverzerrungen, Zeitfehler, falsche Daten, Adress- und Steuerleitungen, Systemfehler und sogar Systemabstürze verursachen oder direkt hervorrufen. Wenn sie nicht richtig gelöst werden, werden sie die Systemleistung ernsthaft beeinträchtigen und unermessliche Verluste mit sich bringen. Die Lösung dieser Probleme hängt hauptsächlich vom Schaltungsdesign ab. Daher ist die Designqualität der Leiterplatte sehr wichtig, und es ist der einzige Weg, das Designkonzept in die Realität umzusetzen. Im Folgenden werden einige Probleme erörtert, die beim Design der Zuverlässigkeit von Leiterplatten in Hochgeschwindigkeits-DSP-Systemen beachtet werden sollten.

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Power Design

Das erste, was beim Entwurf einer Hochgeschwindigkeits-DSP-System-Leiterplatte zu beachten ist, ist das Netzteildesign. Im Stromversorgungsentwurf werden die folgenden Methoden häufig verwendet, um Signalintegritätsprobleme zu lösen.


Erwägen Sie die Entkopplung von Strom und Boden

Mit der Erhöhung der DSP-Betriebsfrequenz neigen DSP und andere IC-Komponenten dazu, miniaturisiert und dicht verpackt zu werden. In der Regel werden mehrschichtige Platinen beim Schaltungsdesign berücksichtigt. Es wird empfohlen, dass eine dedizierte Schicht sowohl für die Stromversorgung als auch für die Erdung verwendet werden kann. Zum Beispiel unterscheidet sich die I/O-Versorgungsspannung von DSP von der Kernspannung, so dass zwei verschiedene Versorgungsschichten verwendet werden können. Wenn man die hohen Verarbeitungskosten von Mehrschichtplatinen betrachtet, kann eine spezielle Schicht für die Stromversorgung mit mehr Verdrahtung oder relativ kritischer Stromversorgung verwendet werden, und andere Versorgungsschichten können verwendet werden. Die Stromversorgung kann auf die gleiche Weise wie die Signalleitungen geführt werden, aber achten Sie auf die Breite der Leitungen. Unabhängig davon, ob die Leiterplatte eine spezielle Masseschicht und Stromversorgungsschicht aufweist, muss eine bestimmte und vernünftig verteilte Kapazität zwischen der Stromversorgung und der Masse hinzugefügt werden. Um Platz zu sparen und die Anzahl der Durchgangslöcher zu reduzieren, wird empfohlen, mehr Chipkondensatoren zu verwenden. Der Chipkondensator kann auf der Rückseite der Leiterplatte platziert werden, das heißt auf der Schweißoberfläche. Der Chipkondensator wird mit einem breiten Draht an das Loch angeschlossen und durch das Loch mit der Stromversorgung und der Masseschicht verbunden.


Verdrahtungsregeln unter Berücksichtigung der Stromverteilung

Getrennte analoge und digitale Leistungsebenen: Hochgeschwindigkeits- und hochpräzise analoge Komponenten reagieren empfindlich auf digitale Signale. Zum Beispiel verstärkt der Verstärker das Schaltrauschen und macht es nahe am Pulssignal, so dass in den analogen und digitalen Teilen der Platine die Leistungsebene im Allgemeinen getrennt werden muss.


Isolierung empfindlicher Signale: Einige empfindliche Signale (z. B. Hochfrequenzwerke) sind besonders empfindlich gegenüber Störgeräuschen, und für sie sollten hochgradige Isolationsmaßnahmen ergriffen werden. Hochfrequenz-Uhren (Uhren über 20MHz oder Uhren mit einer Flip-Zeit unter 5ns) müssen von Erdungskabeln begleitet werden. Die Breite des Uhrdrahtes beträgt mindestens 10 mil, und die Breite des begleiteten Erdungsdrahtes beträgt mindestens 20 mil. Das Loch ist in gutem Kontakt mit der Schicht, und alle 5cm durch Löcher werden gemacht, um mit der Schicht zu verbinden; Ein Dämpfungswiderstand von 22Ω bis 220Ω muss auf der Sendeseite in Reihe geschaltet werden. Störungen durch Signalrauschen dieser Leitungen können vermieden werden.


Software- und Hardware-Anti-Interferenz-Design: Im Allgemeinen wird die Leiterplatte eines Hochgeschwindigkeits-DSP-Anwendungssystems vom Benutzer entsprechend den spezifischen Anforderungen des Systems entworfen. Aufgrund begrenzter Konstruktionsfähigkeiten und Laborbedingungen führen die unbefriedigende Arbeitsumgebung und elektromagnetische Interferenzen, wenn keine vollständigen und zuverlässigen Interferenzmaßnahmen ergriffen werden, zu Störungen im DSP-Programmablauf. Wenn der normale Funktionscode von DSP nicht wiederhergestellt werden kann, läuft das Programm weg oder stürzt ab und sogar einige Komponenten werden beschädigt. Es sollte darauf geachtet werden, entsprechende Interferenzmaßnahmen zu treffen.


Hardware Anti-Jamming Design: Die Hardware Anti-Jamming Effizienz ist hoch. Wenn Systemkomplexität, Kosten und Volumen erträglich sind, wird das Hardware-Anti-Jamming-Design bevorzugt. Häufig verwendete Hardware-Anti-Jamming-Techniken können wie folgt zusammengefasst werden:

(1) Hardwarefilterung: RC-Filter können verschiedene hochfrequente Störsignale stark schwächen. Wie kann die Störung "Glitch" unterdrücken.

(2) Angemessene Erdung: Angemessene Auslegung des Erdungssystems. Bei digitalen und analogen Hochgeschwindigkeitsschaltsystemen ist es sehr wichtig, eine niederohmige, großflächige Masseebene zu haben. Die Masseschicht kann nicht nur einen niederohmigen Rückweg für Hochfrequenzstrom bereitstellen, sondern auch EMI und RFI kleiner machen und auch eine Abschirmwirkung auf externe Störungen haben. Trennen Sie beim Entwerfen der Leiterplatte die analoge Masse und die digitale Masse.

(3) Abschirmungsmaßnahmen: Die Funken, die durch Wechselstrom, Hochfrequenzleistung, starke elektrische Ausrüstung und Bögen erzeugt werden, erzeugen elektromagnetische Wellen und werden zu Geräuschquellen elektromagnetischer Störungen. Die oben genannten Geräte können von Metallschalen umgeben und dann geerdet werden. Störung durch elektromagnetische Induktion ist sehr effektiv.

(4) Optische Isolierung: Optische Isolatoren können gegenseitige Interferenzen zwischen verschiedenen Leiterplatten effektiv vermeiden. Optische Hochgeschwindigkeits-Isolatoren werden häufig in der Schnittstelle von DSP und anderen Geräten (wie Sensoren, Schalter usw.) verwendet.


Software Anti-Jamming Design: Software Anti-Jamming hat den Vorteil, dass Hardware Anti-Jamming nicht ersetzen kann. Im DSP-Anwendungssystem sollte die Anti-Jamming-Fähigkeit der Software voll ausgenutzt werden, um den Einfluss von Interferenzen zu unterdrücken. Mehrere effektive Software Anti-Jamming Methoden sind unten angegeben.

(1) Digitalfilterung: Das Rauschen des analogen Eingangssignals kann durch digitale Filterung beseitigt werden. Häufig verwendete digitale Filtertechniken umfassen Medianfilterung, arithmetische Mittelwertfilterung usw.

(2) Trap setzen: Setzen Sie ein Boot-Programm im nicht genutzten Programmbereich. Wenn das Programm gestört ist und in diesen Bereich springt, führt das Boot-Programm das gewaltsam erfasste Programm an die angegebene Adresse, wo ein spezielles Programm verwendet wird, um das fehlerhafte Programm zu korrigieren. zu verarbeiten.

(3) Instruktionsredundanz: Fügen Sie zwei oder drei Bytes No-op-Anweisung NOP nach der Double-Byte-Anweisung und der Drei-Byte-Anweisung ein, die verhindern kann, dass das Programm automatisch auf die richtige Spur gesetzt wird, wenn das DSP-System durch das Programm gestört wird.

(4) Setzen Sie das Watchdog-Timing: Wenn das außer Kontrolle geratene Programm in eine "unendliche Schleife" eintritt, wird normalerweise die "Watchdog"-Technologie verwendet, um das Programm aus der "unendlichen Schleife" herauszukommen. Das Prinzip besteht darin, einen Timer zu verwenden, der einen Impuls entsprechend der eingestellten Periode erzeugt. Wenn Sie diesen Impuls nicht erzeugen möchten, sollte der DSP den Timer innerhalb einer Zeit weniger als der eingestellte Zeitraum löschen; Aber wenn das DSP-Programm läuft, wird es nicht verwendet. Der Timer wird gemäß den Vorschriften gelöscht, so dass der vom Timer erzeugte Impuls als DSP-Reset-Signal verwendet wird, um den DSP zurückzusetzen und erneut zu initialisieren.


Elektromagnetische Verträglichkeit Design: Elektromagnetische Verträglichkeit bezieht sich auf die Fähigkeit elektronischer Geräte, normal in komplexen elektromagnetischen Umgebungen zu arbeiten. Der Zweck des elektromagnetischen Kompatibilitätsdesigns besteht darin, elektronische Geräte nicht nur verschiedene externe Störungen zu unterdrücken, sondern auch die elektromagnetischen Störungen elektronischer Geräte auf andere elektronische Geräte zu reduzieren. In der eigentlichen Leiterplatte gibt es mehr oder weniger elektromagnetische Störungen zwischen benachbarten Signalen, das heißt Übersprechen. Die Größe des Übersprechens hängt von der verteilten Kapazität und der verteilten Induktivität zwischen den Schleifen ab. Folgende Maßnahmen können ergriffen werden, um die gegenseitigen elektromagnetischen Störungen zwischen solchen Signalen zu lösen:


Wählen Sie eine vernünftige Drahtbreite: Die Schlagstörung, die durch den transienten Strom auf dem gedruckten Draht verursacht wird, wird hauptsächlich durch die Induktivitätskomponente des gedruckten Drahtes verursacht, und seine Induktivität ist proportional zur Länge des gedruckten Drahtes und umgekehrt proportional zur Breite. Daher ist es vorteilhaft, kurze und breite Drähte zu verwenden, um Störungen zu unterdrücken. Taktleitungen und Signalleitungen von Busfahrern haben oft große transiente Ströme, und ihre gedruckten Leiter sollten so kurz wie möglich sein. Für diskrete Komponentenschaltungen kann die Breite der gedruckten Drähte die Anforderungen an etwa 1,5mm erfüllen; Für integrierte Schaltungen wird die Breite der gedruckten Drähte zwischen 0.2mm und 1.0mm gewählt. Die gitterförmige Verdrahtungsstruktur wird angenommen. Die spezifische Methode besteht darin, horizontal auf der ersten Schicht der Leiterplatte der Leiterplatte zu routen und die nächste Schicht vertikal zu routen.


Wärmeableitung Design: Um Wärmeableitung zu erleichtern, wird die Leiterplatte unabhängig installiert, und der Plattenabstand sollte größer als 2cm sein. Achten Sie gleichzeitig auf die Anordnungsregeln von Komponenten auf der Leiterplatte. In horizontaler Richtung sind die Hochleistungsgeräte so nah wie möglich an der Kante der Leiterplatte angeordnet, wodurch der Wärmeübertragungsweg verkürzt wird; In vertikaler Richtung sind die Hochleistungsgeräte so nah wie möglich an der Oberseite der Leiterplatte angeordnet, wodurch deren Einfluss auf die Temperatur anderer Komponenten verringert wird. Bauteile, die temperaturempfindlicher sind, sollten in Bereichen platziert werden, in denen die Temperatur relativ niedrig ist, und können nicht direkt über den Geräten mit hoher Wärmeerzeugung platziert werden. Beim Design eines Hochgeschwindigkeits-DSP-Anwendungssystems hängt die Transformation des perfekten Designs von der Theorie in die Realität von einer hochwertigen Leiterplatte ab. Die Betriebsfrequenz der DSP-Schaltung wird immer höher, die Pins werden dichter und die Interferenz nimmt zu. Wie die Qualität des Signals verbessert wird, ist sehr wichtig. Ob die Leistung des Systems gut ist, ist daher untrennbar mit der Qualität der Leiterplatte des Designers verbunden.