PCB設(shè)計(jì)高速背板設(shè)計(jì)和PCB布局技巧
PCB設(shè)計(jì)如果需要將多個(gè)板連接到一個(gè)較大的系統(tǒng)中并在它們之間提供互連，則可能會(huì)使用背板來(lái)排列這些板并進(jìn)行級(jí)聯(lián)。背板是高級(jí)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RF設(shè)計(jì)中的某些元素。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)，這些標(biāo)準(zhǔn)超出了IPC的可靠性要求。
盡管背板遵循許多其他PCB所不具備的特定標(biāo)準(zhǔn)，但許多PCB設(shè)計(jì)人員都熟悉布局和布線所涉及的概念。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困難。盡管如此，一些簡(jiǎn)單的策略仍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。我的希望是，您將學(xué)習(xí)一些在布線和布局方面實(shí)現(xiàn)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。沒(méi)有更多的內(nèi)容，讓我們跳入PCB設(shè)計(jì)的這一豐富領(lǐng)域。
背板設(shè)計(jì)入門(mén)
背板設(shè)計(jì)，布局和布線入門(mén)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)有限的情況下管理大型板上的數(shù)千個(gè)連接。此外，背板可能實(shí)際上參與了向子卡的供電，并且每個(gè)子卡可能正在通過(guò)各種高速設(shè)備拉動(dòng)多個(gè)安培電流。這意味著您的背板可能需要支持約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，因此一切都圍繞著您將要使用的連接器展開(kāi)，而這些連接器正是您設(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Ｎ覍⒃谙旅孢M(jìn)一步介紹這一點(diǎn)。
機(jī)械要求：除了正確放置子板連接器之外，導(dǎo)銷(xiāo)還用于確保正確的配合和結(jié)構(gòu)完整性。該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(xiāo)。
材料選擇：對(duì)于高速背板，這是設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)。由于背板可能非常大，因此任何需要在整個(gè)平面上傳播的信號(hào)都可能會(huì)遭受重大損失。需要具有緊密玻璃編織的低損耗層壓板，以最大程度地減少長(zhǎng)互連上的插入損耗。
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。不同平面層上的接地/電源平面布置還應(yīng)為隔離在電路板上的高速信號(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)以及所需的信號(hào)層數(shù)。背板最多可以有24層，厚度為幾毫米，可以滿足所有設(shè)計(jì)要求。
上面的要點(diǎn)與任何其他高速設(shè)計(jì)中需要考慮的要點(diǎn)相同。但是，一旦您在背板上工作，情況就會(huì)有所不同，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)計(jì)劃。
全部涉及連接器，引腳分配和布線
初始設(shè)計(jì)階段的大部分重點(diǎn)將放在背板上的連接器上。選擇連接器（包括用于背板連接器）既是一門(mén)藝術(shù)，也是一門(mén)科學(xué)，這些連接器將成為信號(hào)完整性的主要決定因素。為了確保信號(hào)在連接器跟蹤接口處不會(huì)過(guò)度衰減，仿真非常重要。
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)防止在將給定層上的信號(hào)路由到背板總線上的所有連接器時(shí)彼此交叉。如果做得正確，您可能可以消除一些信號(hào)層。
理想情況下，當(dāng)?shù)竭_(dá)每個(gè)連接器上的插針時(shí)，布線應(yīng)該在整個(gè)背板（大部分水平）上流暢。
最好以逐行的方式完成，類(lèi)似于下面顯示的差分對(duì)路由。請(qǐng)注意，每個(gè)連接器上的引腳如何在每一列中錯(cuò)開(kāi)，從而允許差分對(duì)中的走線進(jìn)入連接器引腳的行之間。如果所有引腳都在同一列中，那么我需要2層而不是1來(lái)進(jìn)行如下所示的布線。
考慮到所有這些PCB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，而且我們甚至沒(méi)有進(jìn)行初始組件布置。您在組件布置方面不會(huì)有很大的自由度，但是只要將引腳排列在整個(gè)連接器中并保持一致，就可以在通過(guò)底板路由信號(hào)時(shí)使事情井井有條。幫助您成功的其他一些技巧包括：
通過(guò)高速信號(hào)的跳變最小化。每個(gè)通孔都會(huì)增加互連的插入損耗，并且需要盡可能減少插入損耗。
通過(guò)過(guò)渡進(jìn)行高速反鉆。 反向鉆孔會(huì)增加成本，但會(huì)最大程度地減少長(zhǎng)輸電線上的短截線不連續(xù)性。
不要害怕倒地。使用接地倒流有助于在不同的高速走線組之間進(jìn)行隔離，確保一致的阻抗曲線，并為高回流電流提供充足的導(dǎo)體。
使所有未使用的信號(hào)層成為平面層。如果您要通過(guò)背板供電，請(qǐng)不要擔(dān)心將額外的電源板丟入疊層中。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)需要多個(gè)專(zhuān)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)和一整套設(shè)計(jì)工具，則可以在一個(gè)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)過(guò)程的大多數(shù)方面。您將能夠完成背板設(shè)計(jì)，并通過(guò)一個(gè)程序?yàn)樯a(chǎn)做好準(zhǔn)備。
豐樂(lè)壹博專(zhuān)業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
盡管背板遵循許多其他PCB所不具備的特定標(biāo)準(zhǔn)，但許多PCB設(shè)計(jì)人員都熟悉布局和布線所涉及的概念。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困難。盡管如此，一些簡(jiǎn)單的策略仍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。我的希望是，您將學(xué)習(xí)一些在布線和布局方面實(shí)現(xiàn)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。沒(méi)有更多的內(nèi)容，讓我們跳入PCB設(shè)計(jì)的這一豐富領(lǐng)域。
背板設(shè)計(jì)入門(mén)
背板設(shè)計(jì)，布局和布線入門(mén)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)有限的情況下管理大型板上的數(shù)千個(gè)連接。此外，背板可能實(shí)際上參與了向子卡的供電，并且每個(gè)子卡可能正在通過(guò)各種高速設(shè)備拉動(dòng)多個(gè)安培電流。這意味著您的背板可能需要支持約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，因此一切都圍繞著您將要使用的連接器展開(kāi)，而這些連接器正是您設(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Ｎ覍⒃谙旅孢M(jìn)一步介紹這一點(diǎn)。
機(jī)械要求：除了正確放置子板連接器之外，導(dǎo)銷(xiāo)還用于確保正確的配合和結(jié)構(gòu)完整性。該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(xiāo)。
材料選擇：對(duì)于高速背板，這是設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)。由于背板可能非常大，因此任何需要在整個(gè)平面上傳播的信號(hào)都可能會(huì)遭受重大損失。需要具有緊密玻璃編織的低損耗層壓板，以最大程度地減少長(zhǎng)互連上的插入損耗。
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。不同平面層上的接地/電源平面布置還應(yīng)為隔離在電路板上的高速信號(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)以及所需的信號(hào)層數(shù)。背板最多可以有24層，厚度為幾毫米，可以滿足所有設(shè)計(jì)要求。
上面的要點(diǎn)與任何其他高速設(shè)計(jì)中需要考慮的要點(diǎn)相同。但是，一旦您在背板上工作，情況就會(huì)有所不同，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)計(jì)劃。
全部涉及連接器，引腳分配和布線
初始設(shè)計(jì)階段的大部分重點(diǎn)將放在背板上的連接器上。選擇連接器（包括用于背板連接器）既是一門(mén)藝術(shù)，也是一門(mén)科學(xué)，這些連接器將成為信號(hào)完整性的主要決定因素。為了確保信號(hào)在連接器跟蹤接口處不會(huì)過(guò)度衰減，仿真非常重要。
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)防止在將給定層上的信號(hào)路由到背板總線上的所有連接器時(shí)彼此交叉。如果做得正確，您可能可以消除一些信號(hào)層。
理想情況下，當(dāng)?shù)竭_(dá)每個(gè)連接器上的插針時(shí)，布線應(yīng)該在整個(gè)背板（大部分水平）上流暢。
最好以逐行的方式完成，類(lèi)似于下面顯示的差分對(duì)路由。請(qǐng)注意，每個(gè)連接器上的引腳如何在每一列中錯(cuò)開(kāi)，從而允許差分對(duì)中的走線進(jìn)入連接器引腳的行之間。如果所有引腳都在同一列中，那么我需要2層而不是1來(lái)進(jìn)行如下所示的布線。
考慮到所有這些PCB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，而且我們甚至沒(méi)有進(jìn)行初始組件布置。您在組件布置方面不會(huì)有很大的自由度，但是只要將引腳排列在整個(gè)連接器中并保持一致，就可以在通過(guò)底板路由信號(hào)時(shí)使事情井井有條。幫助您成功的其他一些技巧包括：
通過(guò)高速信號(hào)的跳變最小化。每個(gè)通孔都會(huì)增加互連的插入損耗，并且需要盡可能減少插入損耗。
通過(guò)過(guò)渡進(jìn)行高速反鉆。 反向鉆孔會(huì)增加成本，但會(huì)最大程度地減少長(zhǎng)輸電線上的短截線不連續(xù)性。
不要害怕倒地。使用接地倒流有助于在不同的高速走線組之間進(jìn)行隔離，確保一致的阻抗曲線，并為高回流電流提供充足的導(dǎo)體。
使所有未使用的信號(hào)層成為平面層。如果您要通過(guò)背板供電，請(qǐng)不要擔(dān)心將額外的電源板丟入疊層中。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)需要多個(gè)專(zhuān)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)和一整套設(shè)計(jì)工具，則可以在一個(gè)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)過(guò)程的大多數(shù)方面。您將能夠完成背板設(shè)計(jì)，并通過(guò)一個(gè)程序?yàn)樯a(chǎn)做好準(zhǔn)備。
豐樂(lè)壹博專(zhuān)業(yè)PCB設(shè)計(jì)、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
