PCB ist eng mit unserem Leben verbunden, das Entwerfen des Lagenaufbaus für eine Leiterplatte (PCB) ist mit vielen Einschränkungen verbunden. Hochgeschwindigkeitsdesigns erfordern eine sorgfältige Kontrolle von Parametern wie Interplane-Kapazität, Impedanz und Übersprechen. Selbst bei langsameren Leiterplatten beeinflusst der Stackup wichtige Eigenschaften wie die Blattkapazität zwischen den Ebenen.
Viele Stackup-Überlegungen können manuell berechnet oder in einer Schaltungsdesign-Software modelliert werden, um die Impedanz einer Leiterplatte zu simulieren. Der Stackup-Design-Workflow von Altium Designer umfasst jedoch die Berechnung der PCB-Impedanz, wodurch externe PCB-Stackup-Rechner überflüssig werden. Der Layer Stack Manager und die Routing-Engine von Altium enthalten einen Field Solver zur Abstimmung der Impedanz über den gesamten Leiterplattenaufbau. Dieser integrierte PCB-Stackup-Rechner optimiert die Impedanzoptimierung für Hochgeschwindigkeitsdesigns.
Berechnung der Impedanz in PCB-Aufbauten
Die Impedanz einer Leiterplatte hängt von der Leiterbahngeometrie, den Materialien und der Schichtkonfiguration ab. Genaue Impedanzberechnungen erfordern die Berücksichtigung von Unterschieden zwischen kantengekoppelten, eingebetteten und versetzten Leiterbahntopologien. Die Modellierung von Parametern wie der Rauheit der Kupferoberfläche und der dielektrischen Dispersion verbessert die Ergebnisse.
IPC-2141 Impedanzformeln
Wie in vielen technischen Bereichen beruht auch das PCB-Stackup-Design auf Standardgleichungen zur Berechnung von Parametern. Bei der Berechnung der Leiterbahnimpedanz müssen sowohl die dielektrischen Eigenschaften des Substrats als auch die Leiterbahnform berücksichtigt werden. Die meisten einfachen Rechner schätzen die Impedanz anhand der Mikrostreifen- und Streifenliniengleichungen des IPC-2141.
IPC-2141-Formeln haben jedoch eine Genauigkeit von ±7 %. Dies macht sie ungeeignet für Hochgeschwindigkeitsdesigns mit Signalraten von mehreren GHz. Eine fortschrittlichere Modellierung ist erforderlich, aber nur wenige PCB-Stackup-Rechner bieten diese Funktionen.
Modellierung der Stripline-Impedanz
Die Impedanzgleichungen zeigen, dass die Geometrie und das Substrat einer Streifenleitung ihre Impedanz beeinflussen. Da die Dielektrizitätskonstante in den Formeln vorkommt, ist die Auswahl des richtigen Leiterplattenmaterials entscheidend für das Erreichen der Zielimpedanz. Aber Oberflächenleiterbahnen wie koplanare Wellenleiter erfordern mehr als einfache Taschenrechner.
Nach der Auswahl eines Lagenaufbaus verwenden Hochgeschwindigkeitsdesigner Feldlöser, um die erforderlichen Leiterbahnabmessungen und -abstände zu bestimmen, um bestimmte Impedanzziele zu erreichen.
Der integrierte Impedanzrechner von Altium Designer
Der Layer Stack Manager von Altium Designer integriert einen Impedanzrechner in den Arbeitsablauf für das PCB-Stackup-Design. Der Field Solver berechnet die Leiterbahnimpedanz auf der Grundlage realer Stackup-Parameter.
Zu den Vorteilen gehören:
- Optimieren der Leiterbahnimpedanz durch Ändern des Lagenaufbaus
- Verfeinerung des Stackup-Designs zur Verbesserung der Impedanzleistung
- Berücksichtigung frequenzabhängiger dielektrischer Effekte
- Bewertung von Kompromissen zwischen Impedanz, Emissionen und Signalintegrität
Altium Designer kombiniert den PCB-Stackup-Rechner mit intelligentem Autorouting und Constraint-gesteuerter Schnittstelle. Dies erleichtert das Entwerfen impedanzgesteuerter PCB-Stackups.
Bedeutung von Schichtabständen und Dielektrika
Der Abstand zwischen den Schichten (H oben) wirkt sich erheblich auf die Impedanz aus. Bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist die Aufrechterhaltung der Integrität des Stapels von entscheidender Bedeutung für:
- Interplane-Kapazität für die Energieverteilung
- Minimierung der Schleifeninduktivität und des Übersprechens
- Modellierung der geraden/ungeraden Modenimpedanz
Die Gleichungen zeigen auch, dass die Dielektrizitätskonstante die Impedanz beeinflusst. Ein genauer Leiterplattenaufbaurechner muss die frequenzabhängige Dielektrizitätskonstante und den Verlusttangens korrekt modellieren. Dadurch wird ihr Einfluss auf Kopplung und Impedanz erfasst.
Integrierte PCB-Impedanz Taschenrechner
Da Leiterplatten immer schneller und komplexer werden, erfordern ihre Designs eine Impedanzkontrolle, eine Übersprechanalyse und eine Kapazitätsabstimmung. Eine robuste Impedanzmodellierung ist für eine Hochgeschwindigkeitsleistung unerlässlich.
Während einfache Rechner die Impedanz aus der Leiterbahngeometrie schätzen, ist eine Integration in den Design-Workflow erforderlich, um einen erfolgreichen impedanzgesteuerten Stackup zu erstellen. Eigenständige Formeln können nicht alle realen Effekte berücksichtigen.
Altium Designer integriert einen fortschrittlichen PCB-Stackup-Rechner in eine einheitliche PCB-Designumgebung. Dies ermöglicht es Entwicklern, fundierte Kompromisse zwischen Impedanz, Emissionen, Signalintegrität, Herstellbarkeit und anderen Aspekten einzugehen. Das Endergebnis ist eine Leiterplatte, die für die Zielanwendung optimiert ist.
Altium für High-Speed-Stackup-Design
Frühe Leiterplatten dienten hauptsächlich dazu, relativ einfache Komponenten miteinander zu verbinden und die Stromversorgung zu gewährleisten. Als die Schaltkreise immer komplexer wurden, wurde die präzise Steuerung der Impedanz entscheidend für die Signalqualität. Dies trieb die Nachfrage nach 50-Ohm-Platinen an.
Modellierung der PCB-Impedanz
Die Impedanz einer Leiterbahn hängt von der Geometrie, den Materialien, der Schichtung und anderen Faktoren ab. Jeder Leiterbahntyp – gekoppelt, eingebettet oder versetzt – erfordert eine spezielle Modellierung für eine genaue Impedanz. Einfache Rechner können die Oberflächenrauheit oder dielektrische Dispersion nicht berücksichtigen, was zu falschen Ergebnissen führt.
Die abstimmbare Stackup-Schnittstelle von Altium
Designs mit kontrollierter Impedanz erfordern integrierte Stromversorgungs- und Masseebenen. Eine Masseplatte bietet einen niederohmigen Rückweg, während Versorgungsebenen saubere Leistung verteilen. Der Aufbau muss die Platzierung der Ebene und die Dicke sorgfältig ausbalancieren.
Altium Designer stimmt den PCB-Stackup auf die Zielimpedanz und -leistung ab. Es kombiniert Modellierungsschichten, Dielektrika und Geometrien mit intelligentem Routing und Design-Rule-Checking. Dieser kohärente Workflow ermöglicht das Entwerfen optimierter Hochgeschwindigkeits-Stackups.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Entwerfen von PCB-Stackups für Hochgeschwindigkeits- oder impedanzgesteuerte Anwendungen fortschrittliche Modellierungswerkzeuge erfordert. Eigenständige Rechner verfügen nicht über die Raffinesse, die für moderne Anforderungen erforderlich ist. Altium Designer integriert einen PCB-Stackup-Rechner in einen einheitlichen PCB-Design-Workflow. Dies ermöglicht die Optimierung von Stackups, indem eine fundierte Wahl zwischen wichtigen elektrischen, mechanischen und fertigungstechnischen Überlegungen getroffen wird. Das Endergebnis ist eine geeignete Leiterplatte, die für die beabsichtigte Anwendung optimiert ist.
