PCB Блог - DSP высокоскоростной печатных плат

С широким применением DSP (цифрового сигнального процессора) особое значение приобретает проектирование высокоскоростной печатных плат для обработки сигналов на базе DSP. В системе DSP рабочая частота микропроцессора DSP может достигать сотен МГц, а его линия сброса, линия прерывания и линия управления, интегральный микросхема-переключатель, высокоточная схема аналого-цифрового преобразования и схемы, содержащие слабые аналоговые сигналы, очень легко подвержены помехам; поэтому для проектирования и разработки стабильной и надежной системы DSP очень важное значение имеет противопомеховое проектирование. Помехи, или мешающая энергия, приводят приемник в нежелательное состояние. Существует два типа помех: прямые (связь через проводники, общий импеданс и т. д.) и косвенные (связь через перекрестные помехи или излучение). Многие источники электрического излучения, такие как свет, двигатели и люминесцентные лампы, могут вызывать помехи, и существует три необходимых условия для воздействия электромагнитных помех (EMI), а именно: источник помех, путь распространения и приемник помех. Достаточно отсечь одно из них, чтобы решить проблему электромагнитных помех.

1. Анализ генерации помех в системе DSP

Для создания стабильной и надежной системы DSP необходимо устранить помехи со всех сторон, даже если их невозможно полностью устранить, их следует максимально уменьшить. Для систем DSP основные помехи возникают из-за следующих факторов:

1) Помехи в каналах ввода и вывода. Это означает, что помехи поступают в систему через прямой канал и обратный канал, например, канал сбора данных системы DSP, и накладываются на сигнал, проходящий через датчик, что увеличивает погрешность сбора данных. В канале вывода помехи могут увеличить погрешность выходных данных или даже привести к их полной неверности, что вызовет сбой системы. Для уменьшения помех входных и выходных каналов можно разумно использовать оптопары. Для помех датчиков и основных систем DSP можно использовать электрическую изоляцию для введения положительных помех.

2) Помехи от системы питания. Основной источник помех для всей системы DSP. Когда источник питания обеспечивает питание системы, он также добавляет шумы к источнику питания, поэтому при проектировании схемы питания необходимо развязать линию питания.

3) Помехи, вызванные взаимодействием космического излучения. Взаимодействие посредством излучения часто называют перекрестными помехами. Перекрестные помехи возникают, когда электрический ток протекает по проводам, создавая электромагнитные поля, которые индуцируют переходные токи в соседних проводах, вызывая искажение или даже ошибочную передачу соседних сигналов. Сила перекрестных помех зависит от устройства, геометрии проводов и расстояния между ними. В проводке DSP чем больше расстояние между сигнальными линиями и чем ближе к линии заземления, тем эффективнее можно уменьшить перекрестные помехи.

Проектирование печатных плат для устранения помех

Ниже приводится метод уменьшения различных помех в процессе изготовления печатных плат системы DSP.

2.1 Многослойная конструкция многослойных плат

В высокоскоростных цифровых схемах DSP для улучшения качества сигнала, уменьшения сложности проводки и повышения электромагнитной совместимости системы обычно используется многослойная конструкция плат. Многослойная конструкция обеспечивает короткий путь возврата, уменьшает площадь связи и подавляет помехи дифференциального режима. В многослойной конструкции выделяются специальные плоскости питания и заземления, которые плотно соединены для подавления синфазных помех (используйте соседние плоскости для уменьшения импеданса переменного тока плоскости питания). Под верхним слоем находится слой питания, и выводы питания компонентов могут быть подключены непосредственно к источнику питания, минуя плоскость заземления. 

Ключевые сигналы выбираются на нижнем слое (bottom layer), чтобы пространство для прокладки важных сигналов было больше, а устройства размещались по возможности на одном слое. Если это не необходимо, не изготавливайте плату с 2-слойными частями,что увеличит время сборки и сложность сборки. Например, верхний слой, только когда компоненты верхнего слоя слишком плотные, устройства с ограниченной высотой и низким тепловыделением, такие как развязывающие конденсаторы (патчи), размещаются на нижнем слое. Для системы DSP может потребоваться прокладка большого количества проводов, и для прокладки проводов на внутреннем слое можно использовать многослойную конструкцию. Если традиционные сквозные отверстия занимают много ценного пространства для прокладки, можно использовать слепые погруженные переходные отверстия, чтобы увеличить площадь прокладки.

2.2 Разработка макета

Для обеспечения производительности системы DSP очень важное значение имеет расположение компонентов. Сначала разместите устройства DSP, Flash, SRAM и CPLD, тщательно продумав пространство для прокладки трасс, а затем разместите другие ИС в соответствии с принципом функциональной независимости и продумайте расположение портов ввода-вывода. Учитывайте размер печатной платы в сочетании с вышеуказанной компоновкой: если размер слишком велик, печатные линии будут слишком длинными, импеданс увеличится, способность к подавлению шума снизится, а стоимость изготовления платы также увеличится; если печатная плата слишком мала, теплоотвод будет плохим, а пространство ограничено, и соседние линии легко подвержены помехам. Поэтому устройство следует выбирать в соответствии с фактическими потребностями, а размер печатных плат следует примерно рассчитывать на основе пространства для проводки. При размещении системы DSP особое внимание следует уделять размещению следующих компонентов.

2) Расположение цифро-аналоговых устройств: Большинство систем DSP не являются однофункциональными схемами, и в них используется большое количество цифровых устройств и цифро-аналоговых гибридных устройств CM0S, поэтому цифровые/аналоговые устройства должны располагаться отдельно. Аналоговые сигнальные устройства должны быть сконцентрированы как можно больше, чтобы аналоговая земля могла выделить независимую область, принадлежащую аналоговому сигналу, в середине всей цифровой земли, чтобы избежать помех цифрового сигнала аналоговому сигналу. Некоторые цифро-аналоговые гибридные устройства, такие как цифро-аналоговые преобразователи, традиционно считаются аналоговыми устройствами и размещаются на аналоговом заземлении, а к ним подводится цифровая петля, чтобы цифровой шум обратно подавался на источник сигнала для уменьшения влияния цифрового шума на аналоговое заземление.

3) Расположение тактового генератора: тактовый генератор, выбор микросхемы и сигналы шины должны быть максимально удалены от линий ввода-вывода и разъемов. Тактовый вход системы DSP легко подвержен помехам, и его обработка очень важна. Всегда размещайте тактовый генератор как можно ближе к микросхеме DSP и делайте тактовые линии как можно короче. Корпус кварцевого генератора тактового генератора заземлен.

4) Развязка схемы: чтобы уменьшить мгновенный переход напряжения на источнике питания микросхемы, к микросхеме добавляется развязывающий конденсатор, который может эффективно устранить влияние заусенцев на источник питания и уменьшить отражение силовой петли на печатных плат. Добавление развязывающего конденсатора позволяет обойти высокочастотные помехи интегрального микросхемного устройства, а также может использоваться в качестве накопительного конденсатора для обеспечения и поглощения энергии заряда и разряда в момент переключения затвора интегральной схемы. В системе DSP развязывающие конденсаторы размещаются на каждой интегральной схеме, такой как DSP, SRAM, Flash и т. д., и добавляются между каждым источником питания и заземлением микросхемы, при этом особое внимание следует уделять развязывающим конденсаторам, расположенным как можно ближе к источнику питания и IC. часть ноги. Обеспечьте чистоту тока от источника питания (источника) и в IC, а также максимально уменьшите путь шума.При работе с конденсаторами используйте большие переходные отверстия или несколько переходных отверстий, а соединение между переходными отверстиями и конденсаторами должно быть как можно короче и толще. Когда два переходных отверстия находятся далеко друг от друга, путь слишком велик, что нежелательно; чем ближе друг к другу находятся два переходных отверстия развязывающего конденсатора, тем лучше, чтобы шум мог достигать земли по короткому пути. Кроме того, очень полезно добавить высокочастотные конденсаторы на входе питания или там, где питается батарея. В нормальных условиях значение развязывающего конденсатора не является очень строгим. Обычно оно рассчитывается по формуле C=l/, то есть при частоте 10 МГц берется конденсатор емкостью 0.1 мкФ.

5) Расположение источника питания: при разработке системы DSP необходимо тщательно продумать расположение источника питания. Поскольку некоторые микросхемы питания выделяют много тепла, их следует размещать в местах, способствующих отводу тепла, и на определенном расстоянии от других компонентов. Отвод тепла можно обеспечить путем добавления радиаторов или размещения меди под устройством. Следует избегать размещения нагревающихся компонентов на нижнем слое платы разработчика.

6) Прочие замечания: при компоновке других компонентов системы DSP следует по возможности учитывать требования к простоте пайки, простоте отладки и эстетике. Например, регулируемые устройства, такие как потенциометры, регулируемые индуктивные катушки, переменные конденсаторы и DIP-переключатели, должны размещаться в соответствии с общей структурой. Для устройств весом более 15 г следует добавить фиксированный кронштейн, а затем припаять его, уделяя особое внимание расположению отверстий для позиционирования печатной платы и положению, занимаемому фиксированным кронштейном. Расстояние между компонентами на краю печатной платы и краем печатной платы обычно составляет не менее 2 мм, печатная плата имеет прямоугольную форму, а соотношение сторон составляет 3:2 или 4:3.

2.3 Проектирование проводки

После всестороннего рассмотрения вопросов повышения противопомеховых характеристик системы DSP и улучшения электромагнитной совместимости при компоновке, необходимо применить некоторые меры и приемы при прокладке проводки.

1) Проводка DSP: Проводка обычно начинается от устройства и расширяется вокруг него. Для устройств, упакованных в PQFP (Plastic Quad FIat Pack) или BGA (BaIl Grid Array), таких как DSP, направление трассировки должно быть примерно определено в соответствии с расположением SRAM, Flash и CPLD, а выводы должны быть разветвлены. Разветвление особенно важно для устройств типа QFP и BGA. В начале прокладки проводов распределение выводов устройств типа BGA может сэкономить время для последующей прокладки проводов и улучшить качество и эффективность прокладки. При прокладке рационально используйте функции инструментов EDA, такие как динамическая прокладка печатных плат питания, для планирования пространства.

При использовании динамического режима эта функция автоматически сохраняет расстояние между линиями в пределах установленных правил, не тратя пространство, сокращая количество последующих изменений и повышая качество и эффективность прокладки. Для высокоскоростных DSP также обратите внимание на перекрестные помехи и обработку маршрутизации с настройкой задержки. Обработка змеевидных линий может обеспечить целостность сигнала и непрерывность опорной плоскости высокоскоростного сигнала. Когда необходимо разделить плоскость, будьте осторожны, чтобы высокоскоростная линия не пересекала прерывистую плоскость; если ее необходимо пересечь, добавьте конденсатор поперек плоскости. Когда сигнальная линия (трасса) расположена на расстоянии, в три раза превышающем ширину сигнальной линии, вероятность взаимных перекрестных помех (взаимодействия) между сигналами составляет всего около 25%, поэтому требования по защите от электромагнитных помех (EMI) могут быть выполнены. Поэтому для высокоскоростных сигнальных линий, таких как CLK и SRAM, помните, что необходимо держаться на расстоянии, превышающем в 3 раза ширину сигнальной линии. При регулировке длины, то есть при извилистой трассе, ширина линии и линии должна быть более чем в 3 раза превышать ширину сигнальной линии, включая собственную сигнальную линию, которая также в 3 раза шире сигнальной линии. Ширина линии составляет 5 мил, а расстояние внутри самой извилины составляет 15 мил, что больше или равно 3-кратной ширине линии.

2) Проводка тактового сигнала: для тактового сигнала необходимо сделать расстояние между другими сигналами как можно больше, обеспечить расстояние, превышающее в 4 раза ширину линии, и не прокладывать под тактовым сигналом (частью); для аналоговых линий ввода напряжения, клемма опорного напряжения и линия сигнала ввода/вывода должны быть как можно дальше от тактового сигнала.

3) Управление питанием системы: Питание является важной частью системы. В конструкции печатной платы выделен отдельный слой питания, но поскольку система DSP имеет множество цифровых и аналоговых устройств, используются также различные источники питания, поэтому слой питания разделен, чтобы устройства с одинаковыми характеристиками питания были разделены в одной области и могли подключаться к ближайшей плоскости питания. Однако при разделении следует уделить особое внимание обеспечению непрерывности сигнала опорной плоскости питания.Экспериментально доказано, что ток, который может проходить через линию шириной 40 мил, может быть гарантированно равен 1 А; для сверхотверстия L ток 1 А может проходить через диаметр сверла 16 мил,поэтому для системы DSP линия питания может быть больше 20 мил. Для защиты от электромагнитного излучения на линии питания обратите внимание на следующие моменты: используйте байпасные конденсаторы для ограничения утечки переменного тока на печатной плате; подключите последовательно дроссельную катушку синфазного режима на линии питания, чтобы подавить синфазный ток, протекающий по линии; проложите проводку близко к области уменьшения магнитного излучения.

4) Обработка заземления: во всех проблемах ЭМС основная проблема вызвана неправильным заземлением. Качество обработки заземляющего провода напрямую влияет на стабильность и надежность системы. Заземление выполняет следующие функции: снижение напряжения синфазного режима VCM на выходной линии; снижение восприимчивости к статическому электричеству (ESD); снижение электромагнитного излучения. Заземляющие контуры высокочастотных цифровых схем и низкочастотных аналоговых схем не могут смешиваться, и цифровое/аналоговое заземление должно быть разделено, потому что при переключении цифровой схемы между высоким и низким потенциалами в источнике питания и заземлении будет генерироваться шум; если заземляющая плоскость не разделена, аналоговый сигнал все равно будет подвергаться помехам от заземления. Поэтому для высокочастотных сигналов следует использовать многоточечное серийное заземление, а заземляющий провод должен быть как можно более толстым и коротким, чтобы помимо снижения падения напряжения, что более важно, уменьшить шумы связи. Но для системы, независимо от того, как она разделена, существует только одно окончательное заземление, но путь разряда различен. Поэтому цифровое заземление и аналоговое заземление соединяются между собой через магнитные шайбы или резисторы 0 н, чтобы устранить помехи смешанных сигналов.При разделении заземляющей плоскости необходимо обеспечить непрерывность опорной плоскости. Для печатных плат с совместным использованием цифровых и аналоговых сигналов, если аналоговая сигнальная линия находится далеко, постарайтесь сделать обратный путь эталонной линии также аналоговым заземлением. Это означает, что аналоговое заземление должно быть разрезано вдоль пути аналогового сигнала в заземляющем слое, чтобы оно относилось к аналоговому заземлению для обеспечения непрерывности его эталонной плоскости.

5) Другие меры предосторожности: при прокладке проводов углы проводов, как правило, не должны образовывать линии с изгибом 90°, чтобы уменьшить внешнюю эмиссионную связь высокочастотных сигналов. При укладке меди на печатных плат старайтесь избегать использования больших площадей медной фольги, иначе она легко отвалится после длительного нагрева; если необходимо использовать большую площадь медной фольги, ее можно заменить сеткой, что способствует устранению медной фольги и подложки. Клей нагревается для образования летучего газа.Медная фольга, уложенная на проникающие части ножек (DIPPIN), также обрабатывается термопрокладками; следует избегать виртуальной пайки для повышения выхода. Входные и выходные боковые линии не должны соприкасаться друг с другом, чтобы избежать отраженных помех; при необходимости добавьте заземляющий провод для изоляции.Проводка двух соседних слоев должна быть перпендикулярна друг другу, так как при параллельном расположении легко возникает связь. Для ввода-вывода можно разделить разные области соответствующих опорных плоскостей, чтобы разные сигналы ввода-вывода не создавали помех друг другу на печатной плате.