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電路設計

電路設計 - 高速PCB設計:PCB板的正確選擇

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電路設計 - 高速PCB設計:PCB板的正確選擇

高速PCB設計:PCB板的正確選擇

2021-10-30
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Author:Downs

隨著數位系統的快速發展, 輸電線路損耗, 之前被認為無關緊要, 現在正成為 PCB設計. 當時鐘頻率高於1GHz時, 頻率相關傳輸損耗的影響實際上已經發生, 特別是高速SerDes介面, 訊號的上升時間非常快, 數位信號可以攜帶比其自身重複頻率更多的高頻能量. 這些高頻能量分量用於構建理想的快速轉換數位信號. 今天的高速串列匯流排通常有大量的能量集中在時鐘頻率的5次諧波上.

有許多高速數位應用, 速度為10 Gbit/s或更高. 這些應用使用5 GHz的基頻和15 GHz的諧波, 25千兆赫, 等. 在此頻率範圍內, most common PCB 材料 have very significant differences in dielectric loss (Df), 並導致嚴重的信號完整性問題. 這就是為什麼 高速數位電路板 使用專為高頻應用設計的特殊板. 這些資料的配方具有較低的損耗因數,在較寬的頻率範圍內變化最小. 這些板過去經常用於高頻射頻應用,甚至現在用於77 GHz及更高的應用. 除了提高介質損耗因數外, 這些板材還配備了嚴格的厚度控制和Dk控制, 哪一個更好地確保信號完整性.

電路板

在2019年臺北電腦展上,AMD發佈了第3代Ryzen Ryzen處理器。 除了AMD的7納米CPU的效能外,它開始壓制Intel。 其支持的X570晶片組還引入了對PCIe 4.0的支持。 PCIe 4.0 NVMe SSD也已開始推向市場,預計PCIe 5.0規範將在兩年後發佈。

PCIe 5.0的資料速率將達到驚人的32GT/s,這將加劇與頻率相關的插入損耗。 選擇的PCB資料將對每個區域的插入損耗產生巨大影響。

如果在設計PCB時不考慮電路板對高速訊號的影響,老司機也會把車翻過來!

在選擇PCB板時,必須在滿足PCB設計要求、批量生產和成本之間取得平衡。 簡而言之,設計要求包括電力和結構可靠性。 通常,在設計超高速PCB板(頻率大於GHz)時,電路板問題更為重要。 例如,常用的FR-4資料在幾GHz的頻率下具有較大的介電損耗Df(介電損耗),這可能不適用。

高速數位電路的工作速度是PCB選擇中考慮的主要因素。 電路速度越高,所選PCB的Df值越小。 中低損耗電路板適用於10Gb/s數位電路; 損耗較低的電路板適用於25Gb/s的數位電路; 具有超低損耗的電路板將適用於更快的高速數位電路,速率可以達到50Gb/s或更高。

從資料Df:

Df在0.01 0.005之間的電路板,適用於10Gb/S數位電路的上限;

Df在0.0050.003之間,電路板的合適上限為25Gb/S數位電路;

Df不超過0.0015的電路板適用於50Gb/S甚至更高速度的數位電路。

對於高速印刷電路板,在設計時需要考慮資料選擇和設計是否滿足信號完整性要求,這要求將訊號傳輸損耗降至最低。

PCB傳輸損耗主要由介質損耗、導體損耗和輻射損耗組成。

當高頻訊號沿長傳輸線從驅動器傳輸到PCB上的接收器時,電介質資料的損耗因數對訊號有很大影響。 損耗因數越大,介電吸收越高。 損耗因數較大的資料會影響長輸電線上的高頻訊號。 介電吸收新增高頻衰减。

印刷電路板最常用的介電材料是FR-4,它使用環氧樹脂玻璃層壓板,可以滿足各種工藝條件的要求。 FR-4的εr在4.1和4.5之間。 GETEK是另一種可用於高速電路板的資料。 GETEK由εr介於3.6和4.2之間的環氧樹脂(聚苯醚)組成。

導線損耗

通過資料的電荷流會導致能量損失。 外部微帶線和內部帶狀線的導體損耗可細分為兩部分:直流和交流損耗。 這裡提到的直流電是低於1MHz的電路。 雖然直流損耗通常不適合高速電路設計,但電阻下降會影響多點系統(如SODIMM DDR3/4地址和命令控制匯流排佈線)的邏輯電平和雜訊容限。 然而,車載記憶體的訊號電纜長度通常小於3英寸。 囙此,沒有強調這個問題。

對於典型的5密耳寬、1.4密耳厚(1oz銅)、1英寸長的電路,施加直流電源時,訊號路徑的電阻通常為0.1歐姆/英寸。 銅和大多數其他金屬的體電阻率在頻率接近100 GHz之前是恒定的。 在任何情况下,都是集膚效應觸發了導體的頻率依賴性。

交流電因其頻率依賴性而具有電阻或電感導體損耗. 低頻時, 一些 PCB設計師 think that resistance and inductance are the same as direct current, 但是隨著頻率的新增, 輸電線路和基準面上的橫截面電流分佈變得不均勻,並移動到導體的外部. 由於皮膚效應, 電流被迫進入銅的外表面, 這大大新增了損失. 電流的重新分佈新增了電阻,降低了組織長度的線圈電感. 當頻率新增到1GHz以上時, 阻力繼續新增, 線圈電感達到極限值並成為外部電感. 頻率越高, 電流在導體外表面流動的趨勢越大. 交流電阻將保持大約等於直流電阻,直到頻率上升到某一點, 那就是, 當集膚深度小於導體厚度時.