PCB設計高速背板設計和PCB布局技巧

2020-11-23

PCB設計如果需要將多個(gè)板連接到一個(gè)較大的系統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)行級聯(lián)。背板是高級板，它借鑒了高速設計，機械設計，高壓/大電流設計甚至RF設計中的某些元素。這些板通常用于關(guān)鍵任務(wù)防御系統，電信系統和數據中心。他們采用自己的一套標準，這些標準超出了IPC的可靠性要求。

盡管背板遵循許多其他PCB所不具備的特定標準，但許多PCB設計人員都熟悉布局和布線(xiàn)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構并完成背板設計，同時(shí)確保高可靠性。我的希望是，您將學(xué)習一些在布線(xiàn)和布局方面實(shí)現下一個(gè)背板設計的策略，以平衡可靠性和信號完整性。沒(méi)有更多的內容，讓我們跳入PCB設計的這一豐富領(lǐng)域。

背板設計入門(mén)

背板設計，布局和布線(xiàn)入門(mén)需要采取多種角度。這些設計可能很困難，因為您可能會(huì )發(fā)現自己在空間和層數有限的情況下管理大型板上的數千個(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)各種高速設備拉動(dòng)多個(gè)安培電流。這意味著(zhù)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中的多個(gè)板之間提供連接，因此一切都圍繞著(zhù)您將要使用的連接器展開(kāi)，而這些連接器正是您設計的起點(diǎn)。以下是背板設計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撲。我將在下面進(jìn)一步介紹這一點(diǎn)。

機械要求：除了正確放置子板連接器之外，導銷(xiāo)還用于確保正確的配合和結構完整性。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銷(xiāo)。

材料選擇：對于高速背板，這是設計過(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(cháng)互連上的插入損耗。

電源和接地策略：對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/電源平面布置還應為隔離在電路板上的高速信號提供隔離。

層數：背板所需的層數將取決于平面層數以及所需的信號層數。背板最多可以有24層，厚度為幾毫米，可以滿(mǎn)足所有設計要求。

上面的要點(diǎn)與任何其他高速設計中需要考慮的要點(diǎn)相同。但是，一旦您在背板上工作，情況就會(huì )有所不同，因為連接器的引腳排列會(huì )限制布線(xiàn)。這是背板設計的重要組成部分，應仔細計劃。

全部涉及連接器，引腳分配和布線(xiàn)

初始設計階段的大部分重點(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完整性的主要決定因素。為了確保信號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，因為它有助于簡(jiǎn)化每一層的布線(xiàn)。特別是，您的引腳排列應實(shí)現兩個(gè)目標：

它的設計應防止在將給定層上的信號路由到背板總線(xiàn)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層。

理想情況下，當到達每個(gè)連接器上的插針時(shí)，布線(xiàn)應該在整個(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路由。請注意，每個(gè)連接器上的引腳如何在每一列中錯開(kāi)，從而允許差分對中的走線(xiàn)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(xiàn)。

考慮到所有這些設計要求，我發(fā)現很難在我的第一個(gè)背板中實(shí)現所有這些平衡，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(cháng)輸電線(xiàn)上的短截線(xiàn)不連續性。

不要害怕倒地。使用接地倒流有助于在不同的高速走線(xiàn)組之間進(jìn)行隔離，確保一致的阻抗曲線(xiàn)，并為高回流電流提供充足的導體。

使所有未使用的信號層成為平面層。如果您要通過(guò)背板供電，請不要擔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。

背板設計不適合膽小的人，因為它需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)才能成功。但是，如果您擁有合適的設計師團隊和一整套設計工具，則可以在一個(gè)平臺上完成設計過(guò)程的大多數方面。您將能夠完成背板設計，并通過(guò)一個(gè)程序為生產(chǎn)做好準備。