PCB設(shè)計(jì) 高速背板設(shè)計(jì)與PCB布局技巧

PCB 設(shè)計(jì)如果需要將多塊板連接到一個(gè)更大的系統(tǒng)，并提供它們之間的互連，則可以使用背板來(lái)排列這些板并將它們級(jí)聯(lián)起來(lái)。 背板是一塊高層板，它借鑒了高速設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、高壓/大電流設(shè)計(jì)甚至射頻設(shè)計(jì)的一些元素。 這些板通常用于關(guān)鍵任務(wù)防御系統(tǒng)、電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心。 他們采用自己的一套標(biāo)準(zhǔn)，超出了IPC的可靠性要求。

盡管背板遵循許多其他 PCB 所沒有的特定標(biāo)準(zhǔn)，但許多 PCB 設(shè)計(jì)人員都熟悉布局和布線中涉及的概念。 起初，大量的連接器和網(wǎng)絡(luò)以及典型背板上的狹窄空間似乎很難。 盡管如此，一些簡(jiǎn)單的策略可以幫助您保持組織結(jié)構(gòu)并完成背板設(shè)計(jì)，同時(shí)確保高可靠性。 我希望您能學(xué)到一些在布線和布局方面實(shí)施下一個(gè)背板設(shè)計(jì)的策略，以平衡可靠性和信號(hào)完整性。 內(nèi)容就不多說(shuō)了，讓我們直接進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)這個(gè)內(nèi)容豐富的領(lǐng)域吧。

背板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

背板設(shè)計(jì)、PCB 布局和布線入口需要采取多種角度。 這些設(shè)計(jì)可能很困難，因?yàn)槟赡軙?huì)發(fā)現(xiàn)自己在空間和層數(shù)有限的大板上管理數(shù)千個(gè)連接。 此外，背板實(shí)際上可能參與為子卡供電，每個(gè)子卡可能通過各種高速設(shè)備拉動(dòng)多個(gè)安培的電流。 這意味著您的背板可能需要支持大約 100 A 的電流。

由于背板的主要功能是在大型系統(tǒng)中的多個(gè)板之間提供連接，因此一切都圍繞您將使用的連接器展開，而這些連接器是您設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。 以下是背板設(shè)計(jì)中涉及的一些基本任務(wù)：

引腳排列：第一步是確定連接器上的引腳排列以支持所需的路由拓?fù)洹?我將在下面進(jìn)一步介紹。

機(jī)械要求：除了正確放置子板連接器外，還使用導(dǎo)銷來(lái)確保正確配合和結(jié)構(gòu)完整性。 列表底部的圖像顯示了與背板連接器一起使用的典型導(dǎo)銷。

材料選擇：對(duì)于高速背板，這是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。 由于背板可能非常大，任何需要穿過整個(gè)背板的信號(hào)都可能遭受重大損失。 需要具有緊密玻璃編織層的低損耗層壓板，以最大限度地減少長(zhǎng)互連的插入損耗。

電源和接地策略：對(duì)于需要為大量子板提供高功率的背板，您將需要有助于保持低溫的電源和接地策略。 不同平面層的接地/電源平面布局也應(yīng)為電路板上隔離的高速信號(hào)提供隔離。

層數(shù)：背板所需的層數(shù)將取決于平面層數(shù)和所需的信號(hào)層數(shù)。 背板最多可達(dá)24層，厚度可達(dá)數(shù)毫米，可滿足所有設(shè)計(jì)要求。

上述幾點(diǎn)與任何其他高速線路設(shè)計(jì)中要考慮的點(diǎn)相同。 但是，一旦在背板上工作，情況就會(huì)不同，因?yàn)檫B接器的引腳排列會(huì)限制布線。 這是背板設(shè)計(jì)的重要組成部分，應(yīng)仔細(xì)規(guī)劃。

所有涉及連接器、引腳分配和接線

初始設(shè)計(jì)階段的大部分時(shí)間都集中在背板上的連接器上。 選擇連接器（包括背板連接器）既是一門藝術(shù)，也是一門科學(xué)。 這些連接器將成為信號(hào)完整性的主要決定因素。 仿真對(duì)于確保信號(hào)在連接器跟蹤接口處不會(huì)過度衰減非常重要。

連接器中的引腳排列也很重要，因?yàn)樗兄诤?jiǎn)化每一層的布線。 特別是，您的引腳排列應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：

它的設(shè)計(jì)應(yīng)防止給定層上的信號(hào)在路由到背板總線上的所有連接器時(shí)相互交叉。 如果操作正確，您可以消除一些信號(hào)層。

理想情況下，當(dāng)?shù)竭_(dá)每個(gè)連接器上的引腳時(shí)，布線應(yīng)平滑地穿過整個(gè)背板（大多數(shù)層）。

最好逐行執(zhí)行此操作，類似于下面顯示的差分對(duì)布線。 請(qǐng)注意每個(gè)連接器上的引腳在每一列中是如何交錯(cuò)排列的，從而允許差分對(duì)中的布線進(jìn)入連接器引腳行之間。 如果所有引腳都在同一列中，我需要 2 層而不是 1 層來(lái)進(jìn)行 PCB 布線。

考慮到所有這些設(shè)計(jì)要求，我發(fā)現(xiàn)很難在我的第一個(gè)背板中實(shí)現(xiàn)所有這些平衡，我們甚至沒有進(jìn)行初始電路板組件布局。 您在組件布局上不會(huì)有太大的自由度，但只要您在整個(gè)連接器中排列引腳并保持一致，就可以在通過背板路由信號(hào)時(shí)保持井井有條。 幫助您成功的其他技巧包括：

盡量減少高速信號(hào)的跳變。 每個(gè)通孔都會(huì)增加互連的插入損耗，需要盡可能降低插入損耗。

高速反鉆通過過渡。 反向鉆孔會(huì)增加成本，但會(huì)最大限度地減少長(zhǎng)傳輸線上的短截線不連續(xù)性。

不要害怕跌倒。 接地回流的使用有助于不同高速接線組之間的隔離，保證一致的阻抗曲線，并為高回流電流提供足夠的導(dǎo)體。

將所有未使用的信號(hào)層設(shè)為平面層。 如果您想通過背板供電，不必?fù)?dān)心將額外的電源板掉入堆疊中。 在多個(gè)電源層之間分配電流有助于保持 PDN 冷卻。

背板設(shè)計(jì)不適合膽小的人，因?yàn)樗枰鄠€(gè)專業(yè)才能成功。 但是，如果您擁有合適的設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)和一套完整的設(shè)計(jì)工具，您就可以在一個(gè)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)過程的大部分方面。 您將能夠通過一個(gè)程序完成背板設(shè)計(jì)并為pcb生產(chǎn)做準(zhǔn)備。