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高速DSPシステムPCBボードの信頼性設計について
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高速DSPシステムPCBボードの信頼性設計について

2022-07-20
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Author: ipcb

高速DSPシステムの特性 PCBボード 信頼性設計に注目すべきいくつかの課題には電源設計、ソフトウェアとハードウェアのアンチジャミング設計、電磁両立性設計、放熱設計、高速回路の重要信号線の配線方法を含む。各デザインをより効率的にする。合理的かつ容易に実施する。マイクロエレクトロニクス技術の急速な発展のために、ICチップからなるディジタル電子システムは大規模に急速に進展している。少量、ハイスピード、そして、開発速度が速くなっている。最新のEDA設計における高い回路レイアウト密度への新しいデバイスの応用、また、信号の周波数も非常に高いだ。高速デバイスを使用する。信号問題は、増加するシステムデータレートによって特徴づけられる設計において重要な問題となる。クロックレート、AND回路密度、そして、そのPCBは、低速のデザイン特性より非常に異なる行動を示すように設計されている。それで、シグナル完全性問題, 干渉悪化問題、電磁両立性問題など。これらの問題は信号歪みを引き起こすか、または直接引き起こすことができる。タイミングエラー、不正確なデータ、アドレス制御線、システムエラーとシステムクラッシュがある。彼らが適切に解決されないならば、彼らは真剣にシステムパフォーマンスに影響を与え、計り知れない損失をもたらすだろう。これらの問題の解決策は主に回路設計に依存する。したがって、のデザイン品質 PCBボード 非常に重要だ。そして、それはデザイン概念を現実に変える唯一の方法だ。以下はPCBボード高速DSPシステムにおける信頼性設計において注意すべきいくつかの問題について説明する。


PCBボード


パワーデザイン

高速DSPシステム設計時に考慮すべき重要な点はPCBボード電源設計において、信号完全性問題を解決するために以下の方法が一般的に使用される。


電力と地上のデカップリングを考慮する

DSP動作周波数の増加に伴い、DSPおよび他のIC構成要素は、小型化され、厳密にパッケージ化される傾向がある。通常、回路設計において多層基板が考えられる。専用の層を電源とグランドの両方に使用することが推奨される。例えば、DSPのI/O電源電圧は、コア電源電圧とは異なるので、2つの異なる電源層を使用することができる。多層基板の高処理コストを考慮すると、配線や比較的大きな電源を有する電源に特殊層を使用でき、他の電源層を用いることができる。電源は、信号線と同様にルーティングすることができるが、ラインの幅に注意を払う。回路基板が特別な接地層および電源層を有するか否かに関係なく、特定の合理的に分布するキャパシタンスを電源と接地の間に追加しなければならない。スペースを節約し、スルーホールの数を減らすために、より多くのチップコンデンサを使用することをお勧めする

。チップコンデンサは、PCB基板、すなわち溶接面の背面に配置することができる。チップ・コンデンサは、広いワイヤを有するホールに接続していて、孔を通して電源およびグランド層に接続している。


配電を考慮した配線規則

別々のアナログおよびデジタル電力面:高速、高精度のアナログコンポーネントは、デジタル信号に敏感だ。例えば、増幅器はスイッチングノイズを増幅し、パルス信号に近づけるので、ボードのアナログおよびデジタル部分では、電力面は一般に分離される必要がある。


高感度信号の分離:いくつかの高感度信号(高周波クロックのような)は、特にノイズ干渉に敏感であり、それらのために高レベルのアイソレーション対策が取られるべきだ。高周波クロック(20 MHz以上のクロック、または5 ns未満のフリップ時間を有するクロック)は、接地線によって護送されなければならない。クロック線の幅は少なくとも10ミルであり、エスコートされた接地線の幅は少なくとも20ミルである。穴は地層と良好に接触しており、5 cmの穴を通して地層とつながっているクロック送信側には、22〜220アンペアの減衰抵抗を直列に接続する必要がある。これらのラインで導入された信号ノイズによる干渉を回避することができる。


一般的に、高速DSP応用システムのPCBボードは、システムの特定の要件に従ってユーザによって設計される。限られた設計能力および実験室条件のために、完全で信頼できる干渉防止処置が取られない場合、不十分な作業環境および電磁干渉はDSPプログラムフローの障害につながる。DSPの正常な作業コードが回復できないとき、プログラムは逃げるか、クラッシュする。そして、若干の構成要素さえ損害を受ける。対応する干渉防止対策を講じるには注意が必要がある。


ハードウェアアンチジャミング設計:ハードウェアのジャミング効率は高い。システムの複雑さ、コスト、およびボリュームが許容可能な場合、ハードウェアのアンチジャミング設計が好ましい。一般的に使用されるハードウェアのアンチジャミング技術は次のように要約できる。

1)ハードウェアフィルタリング:RCフィルタは、様々な高周波干渉信号を大いに弱めることができる。このような“グリッチ”干渉を抑制することができる。

2)合理的な接地接地系の合理的設計高速ディジタル・アナログ回路システムでは、低インピーダンス,大面積グラウンドプレーンを持つことが非常に重要だ。グランド層は高周波電流のための低インピーダンスリターンパスを提供するだけでなく、EMIおよびRFIをより小さくし、また、外部干渉に対する遮蔽効果を有する。PCBボードを設計するときは、アナロググランドとデジタルグランドを分離する。

3)遮蔽対策:交流電力、高周波電力、強い電気機器、アークで発生する火花は電磁波を発生し、電磁妨害の騒音源となる。これらの装置は金属シェルで囲まれて接地される。電磁誘導による干渉は非常に有効だ。


光アイソレータは、異なる回路基板間の相互干渉を効果的に回避できる。高速光アイソレータは、DSPおよび他のデバイス(例えばセンサ、スイッチなど)のインターフェースでしばしば使用される。


ソフトウェアアンチジャミング設計:ソフトウェアのアンチジャミングは、ハードウェアのアンチジャミングが置き換えることができない利点がある。DSPアプリケーションシステムでは、干渉の影響を抑制するために、ソフトウェアの妨害防止能力を十分に利用する必要がある。いくつかの効果的なソフトウェア・ジャミング方法を以下に示す。

(1)ディジタルフィルタリング:ディジタル入力フィルタによりアナログ入力信号のノイズを除去することができる。一般的に使用されるデジタルフィルタリング技術は、メディアンフィルタリング、算術平均フィルタリングなどを含む。

( 2 ) set trap :未使用のプログラム領域にブートプログラムを設定する。プログラムが妨げられて、この領域にジャンプするとき、ブートプログラムは強制的に捕らえられたプログラムを指定されたアドレスに案内する。そこで、特別なプログラムは不完全なプログラムを訂正するのに用いられる。

(3)命令冗長:2バイト又は3バイトのOP命令NOPを2バイト挿入し、3バイト命令を実行した後、DSPシステムがプログラムによって邪魔されたときにプログラムが自動的に右トラックに置かれるのを防止することができる。

(4)ウォッチドッグのタイミングを設定する:コントロールのプログラムが“無限ループ”に入る場合、“ウォッチドッグ”技術は通常、プログラムを無限ループから取得するために使用される。原理はタイマーを使用し、設定周期に応じたパルスを生成する。あなたがこのパルスを生成したくないならば、DSPはセット期間未満でタイマーをクリアしなければならない。しかし、DSPプログラムが逃げるとき、それは使用されない。タイマーが規則に従ってクリアされるので、タイマーによって生成されたパルスはDSPリセット信号として使用され、再びリセットして、DSPを初期化する。


電磁両立性設計:電磁的互換性は、複雑な電磁環境で正常に働く電子装置の能力を意味する。電磁両立性設計の目的は、電子機器を様々な外部干渉を抑制するだけでなく、他の電子機器への電子機器の電磁干渉を低減することだ。実際のPCBボードでは、隣接する信号、すなわちクロストーク間の電磁干渉が多かれ少なかれ存在する。クロストークの大きさは、ループ間の分布キャパシタンスおよび分布インダクタンスに関係する。このような信号間の相互電磁干渉を解決するために以下のような対策を講じることができる。


合理的なワイヤ幅を選ぶ:プリント配線上の過渡電流によって引き起こされる衝撃干渉は主にプリント配線のインダクタンス成分に起因し、そのインダクタンスはプリントワイヤの長さに比例し、幅に反比例する。したがって、干渉を抑制するために短くて広いワイヤを使用することは有益だ。バスドライバのクロックリードおよび信号線は、大きな過渡電流を有することが多く、それらの印刷導体はできるだけ短くなければならない。個別部品回路の場合、プリントワイヤの幅は約1.5 mmの要件を満たすことができる。集積回路はプリント配線の幅を0.2 mmと1.0 mmの間で選択する。格子状配線構造を採用した。特定の方法は、PCBのプリント回路基板の第1の層に水平にルートを移して、次のレイヤーを垂直に発送することだ。


放熱設計:放熱を容易にするために、プリント板は独立して設置される。そして、ボード間隔は2 cm。同時に、プリント基板上の構成要素の配置規則に注目する。水平方向に、高出力デバイスはプリント基板のエッジに可能な限り近く配置される。それによって、熱伝達経路を短くすること垂直方向に高出力デバイスはプリント基板の頂部に可能な限り近く配置される。それによって、他のコンポーネントの温度に対するその影響を減らすこと。温度に対してより敏感な成分は、温度ができるだけ低い領域に置かれるべきだ。また、高発熱のデバイスの上に直接配置することはできない。高速DSP応用システムの設計、完璧なデザインを理論から現実に変える方法は高品質に依存する。PCBボードDSP回路の動作周波数はますます高くなっている。ピンが減衰し、干渉が増加している。どのように信号の品質を向上させる非常に重要だ。したがって、システムの性能が良いかどうかはデザイナーの品質とは切り離せない。


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