Методология проектирования печатных плат с контролем волнового сопротивления в САПР Delta Design

В статье рассматривается маршрут разработки печатных плат с учетом импеданса линий передач в САПР Delta Design.

Спроектировать современное устройство без учета импеданса линий передач (ЛП) практически невозможно — утверждение, которое знакомо практически каждому инженеру в области разработки электронной аппаратуры. Для обеспечения высоких темпов развития электроники специалисты должны обладать многофункциональными и практически совершенными системами автоматизированного проектирования, в том числе и для контроля первичных и вторичных электрофизических параметров линий передач. 

Читать далее: Методология проектирования печатных плат с контролем волнового сопротивления в САПР Delta Design

Компания “ЭРЕМЕКС” совсем недавно представила инструмент SimPCB, который предназначен для проектирования высокоскоростных цифровых и высокочастотных аналоговых устройств. Это лаборатория, которая уже сейчас позволяет проводить специалисту целый ряд исследований свойств линий передачи и переходных отверстий [2, 3, 4]. Однако SimPCB не исключает рутинных действий, отвлекающих инженера от процесса проектирования. Поэтому компания “ЭРЕМЕКС” упростила и автоматизировала важные этапы разработки устройств с контролем импеданса через внедрение расчетов в основной маршрут проектирования печатных плат. Вычисление геометрических параметров линий передачи как одиночных, так и дифференциальных в САПР Delta Design теперь выполняется в инструменте “Конфигуратор набора слоев и переходных отверстий”. Все расчеты осуществляются с помощью решателя, реализованного в SimPCB.

Рассмотрим маршрут проектирования с учетом изменений на примере представленном ниже.

Маршрут проектирования устройств с учетом волнового сопротивления линий передачи

Маршрут проектирования состоит из трех основных этапов и представлен на рисунке 1.

  1. Расчет геометрических параметров ЛП под заданный импеданс, подбор материалов и структуры печатной платы:
  • Создание профиля импеданса;
  • Выбор типа ЛП;
  • Задание целевого импеданса; 
  • Установка допуска на волновое сопротивление;
  • Задание ширины проводника (W1), подтрава (W2), зазора для дифференциальных пар (S1) в случае необходимости. 
  • Подбор материалов, их добавление/удаление/перемещение, если это необходимо. 
  1. Применение рассчитанных параметров одиночных проводников и дифференциальных пар в правилах проектирования:
  • Получение def строчек, содержащих информацию о профиле: ширина проводника, зазор для дифференциальной пары, структура печатной платы, слои;
  • Назначение правил для цепей и классов цепей. 
  1. Трассировка ЛП, дифференциальных пар или их групп в редакторе печатной платы. При трассировке рассчитанная ширина и зазор применяется автоматически.
Рис. 1. Маршрут проектирования устройств с учетом волнового сопротивления линий передачи в САПР Delta Design

Расчет геометрических параметров ЛП под заданный импеданс, подбор материалов и структуры печатной платы

В данной статье будет рассмотрен пример проектирования печатной платы с контролем волнового сопротивления одиночной ЛП. Предположим, необходимо спроектировать ЛП с параметрами, указанными ниже, для следующей печатной платы:

  • Плата состоит из 4 слоёв. Количество слоев зависит от конкретных конструктивных ограничений. Кроме этого при формировании структуры печатной платы для высокочастотных цепей необходимо обеспечить прямой и возвратный путь протекания сигнала, а также организовать планарный конденсатор между потенциальными (опорными) слоями. 
  • Импеданс 50 Ом. Конкретное значение импеданса зависит от выбранного интерфейса. Информация присутствует в документации.  
  • Ширина проводника W1 = 0,2 мм, c учетом подтрава W2 = 0,18 мм на внешних слоях.  Выбор ширины проводника (W1) зависит от многих факторов, например от материалов, которые присутствуют на производстве и соответствуют технологическому процессу,  класса точности ПП, минимального шага компонентов,  потерь, перекрестных помех и т.д. Подтрав (W2)  зависит от технологических процессов на заводе. На внешних и внутренних слоях, он как правило, разный. Хорошая практика, когда инженер уточняют информацию на заводе у технологических служб.  
  • Отклонение расчета импеданса не более 10%. При расчете волнового сопротивления для высокоскоростных и высокочастотных сигналов допуск в 10% вполне достаточен. В более требовательных случаях может использоваться отклонение в 5%.
  • Внутренние слои. Второй и третий слой используются как опорные.    
  1. Необходимо запустить инструмент “Конфигуратор набора слоев и переходных отверстий”. Во вкладке “Структура” будет отображаться текущий стек с материалами (рис. 2).
Рис. 2. Конфигуратор набора слоев и переходных отверстий

2. Для контроля волнового сопротивления необходимо выбрать вкладку “Калькулятор импеданса”и добавить новый профиль импеданса, нажав на плюс в верхнем меню (Рис.3).

Рис.3. Добавление профиля импеданса

3. После добавления профиля импеданса программа автоматически посчитает ширину одиночного проводника (W1) под заданный импеданс (по умолчанию 50 Ом), на тех слоях, где это возможно (Рис.4).

Рис.4. Профиль одиночной ЛП с импедансом 50 Ом

В верхней части вкладки “Калькулятор импеданса” представлены следующие настройки:

  • Стек — выбор структуры для расчета. Например, если используется гибко-жесткая плата с несколькими структурами. Оставим по умолчанию Default. 
  • Профиль импеданса — полное название профиля. Здесь же осуществляется добавление/удаление или выбор другого профиля, при его наличии. Оставим по умолчанию один профиль. После изменения типа линии и добавления текста в поле Описание, название профиля должно измениться на S50_Data. 
  • Описание — дополнительная информация о профиле.  Изменим имя на Data.
  • Тип —  Одиночная и дифф.пара. Оставим по умолчанию Одиночная. 
  • Импеданс — значение целевого волнового сопротивления. Для данной задачи импеданс составляет 50 Ом. Пользователь всегда может его поменять, если требуется подстройка расчетов под другое значение.   
  •  Допуск — рассчитывается между целевым и расчетным импедансом Zo или Zdiff, в зависимости от типа выбранной ЛП. Оставим по умолчанию 10%.
  • Расчет — для одиночной ЛП рассчитывается ширина проводника  W1. Для дифф. пары вычисление может выполняться как для W1,  так и для S1. Кроме автоматического расчета W1 и S1, инженер всегда может ввести свои геометрические параметры линии передачи и получить соответствующие им значения Zo или Zdiff.

Система автоматически вычисляет W1 или S1 под заданное волновое сопротивление таким образом, чтобы отклонение от номинального значения было минимальным (рис. 4). В данном случае ширина проводника на слоях L1 и L4 для 50 Ом составляет 0,33 мм.

 Изменим ширину проводника во вкладке “Калькулятор импеданса” для слоев L1 и L2 на данные, указанные в условии выше: W1 = 0,2 мм, W2 = 0,18 мм.  Расчетный импеданс примет значение 65,44 Ом. Отклонение более 30%, что недопустимо. В ячейке Zo и профиле импеданса будут сообщения об ошибке (Рис. 5). 

Рис. 5. Сообщение об ошибке, отклонение импеданса больше 30%

Для того, чтобы импеданс попал в нужный допуск (%), а ширина проводника W1 соответствовала определенной величине, необходимо подобрать материалы с определенными параметрами (толщина и диэлектрическая проницаемость) и стек ПП.  В распоряжении инженера два поля: Толщина (мм) и диэлектрическая проницаемость Er, а также возможность проводить любые манипуляции с перемещением, добавлением и удалением слоев как проводящих, так и диэлектрических. Используя данные о реальных материалах, изменим толщину диэлектрика между слоями L1-L2 и L3 -L4 на 0.125 мм. Данный параметр соответствует препрегу FR4 (Tg150) тип 2116. При этом Zo на внешних слоях составит 53,79 Ом, что близко к заданному (Рис.6).

Рис. 6.  Изменение толщины материала

Система отслеживает параметры применяемых материалов и не позволяет использовать абстрактные. На рисунке 6 показано сообщение об ошибке. Это реакция программы на несоответствие. Специалисту следует использовать материалы в структуре печатной платы только из “Стандартов”, которые должны соответствовать реальным, имеющимся в наличии у завода-изготовителя. В данном случае подходящий материал присутствует: препрег FR4 (Tg150) тип 2116 с толщиной 0,125мм. Установим его между слоями L1-L2 и L3 -L4 (рис.7).

Рис. 7. Выбор материала в вкладке Структура, колонке Материал

Если материала нет в наличии, то его необходимо добавить в раздел “Материалы” панели “Стандарты”. Параметры материала должны полностью соответствовать реальному, применяемому на заводе-изготовителе.  

Для примера добавим в раздел новый материал:  Фольга 0,018мм + осажденная медь 0,023мм (Рис. 8.). Таким образом можно учесть увеличение толщины меди на внешних слоях после металлизации отверстий.

Рис. 8. Добавление нового материала в Стандарты — Материалы

Во вкладке “Структура” для слоя L1 и L2 применим новый материал (Рис.9).

Рис. 9. Замена материала на внешних проводящих слоях

Здесь же, в колонке Тип слоя, назначим L2 и L3 как опорные (Рис.10). После этого в калькуляторе импеданса внутренние слои станут недоступны для расчета волнового сопротивления.

Рис. 10. Изменение типа слоя во вкладке “Структура”

В “Калькуляторе импеданса” снова назначим на внешних слоях W1 = 0,2 мм и W2 = 0,18 мм. При этом  Zo составит 51,47 Ом.

Рис. 11. Расчет импеданса и задержки сигнала на внешних слоях для W1 = 0,2 мм

В таблице 1 показано значение волнового сопротивления для разных материалов.

ОписаниеМатериалы (мм)Zo (Ом)
Изначальное состояние стека Толщина препрега 0,18Толщина фольги 0,01865,44 
Коррекция толщины диэлектрика, изменение препрегаТолщина препрега 0,125Толщина фольги 0,01853,79 
Коррекция толщины проводящего слояТолщина препрега 0,125Толщина фольги 0,04551,47
Таблица 1. Импеданс ЛП

Последний вариант является наиболее предпочтительным. Для сохранения расчетов и передачи данных в правила необходимо нажать кнопку “ОК”.

Применение рассчитанных параметров одиночных проводников и дифф. пар в правилах проектирования

Данные из “Калькулятора импеданса” в “Конфигураторе слоев и переходных отверстий” передаются в правила проектирования. В правилах они представляются в виде командных строк, которые начинаются с def.

Ниже представлен пример строчки из редактора правил (рис. 12).

Рис. 12. Строчка def, содержащая информацию о профиле импеданса

Командная строка выглядит следующим образом:

def S50_Data { L1 {Layer=»L1″; Width=0,2; Stack=»Default»}; L4 {Layer=»L4″; Width=0,2; Stack=»Default»}}

где:

S50_Data — название профиля;

Layer L1 и L4 — слои, для которых применяется правило;

Default — стек печатной платы;

Width=0,2 — ширина проводника в мм.

На рисунке 13 показано назначение профиля к конкретной цепи и классу цепей.

Рис. 13. Применение профиля к цепи и классу цепей

Командные строки выглядят так: 

Width: (Net=»A0″) use S50_Data;

Width: (NetClass=»B») use S50_Data.

Если расчет выполняется для дифф. пар, например, с параметрами представленными ниже:

D100_NewProfile:

  • Слой L1 c шириной проводника =0,16 мм и зазором внутри дифф. пары = 0,1 мм, стек -Default;
  • Слой L2 c шириной проводника =0,12 мм и зазором внутри дифф. пары = 0,12 мм,  стек -Default;, 

то

def D100_NewProfile { L1 {Layer=»L1″; Width=0,16; Stack=»Default»; Gap=0,1}; L2 {Layer=»L2″; Width=0,12; Stack=»Default»; Gap=0,12}}.

Назначение профиля для конкретной дифф. пары:

DiffPair: (Net=»A») use D100_NewProfile.

Для класса дифф. пар:

DiffPair: (NetClass=»D») use D100_NewProfile

После внесения изменений в правила их следует сохранить.

Трассировка линий передач, дифф. пар или их групп в редакторе печатной платы

Трассировка проводников с контролируемым волновым сопротивлением аналогична прокладке обычных трасс. Система автоматически применяет ширину, рассчитанную для заданного импеданса. Например, если выбрать цепь A0 из представленного примера и начать выполнять трассировку на слое L1, то применится ширина проводника, равная 0,2 мм. Данный параметр соответствует волновому сопротивлению в 50 Ом. При переходе на слой L4 ширина сохранится (рис. 14).

Рис. 14. Автоматическое применение размеров ширины проводника при переходе со слоя на слой для одиночного проводника

Подобным образом работает трассировка и для класса цепей (рис. 15).

Рис. 15. Автоматическое применение размеров ширины проводника при переходе со слоя на слой для проводника входящего в класс

“Калькулятор импеданса” в “Конфигураторе набора слоев и переходных отверстий” САПР Delta Design реализован на основе инструмента SimPCB и интегрирован в маршрут проектирования печатных плат, что позволяет осуществлять контроль волнового сопротивления как одиночных линий передачи, так и дифференциальных, проектировать структуру, учитывать материалы и особенности производства. Любые изменения структуры печатной платы приводят к быстрому пересчету параметров линий. В случае выхода импеданса за указанный допуск система оповещает специалиста, исключая появление ошибок.  Данные из конфигуратора набора слоев автоматически передаются в правила проектирования, позволяя инженеру сосредоточиться на процессе разработки устройства, а не на рутинных действиях.   

Основные преимущества нового подхода:

1. Расчет геометрических параметров линий передачи (одиночных и дифференциальных) под заданный импеданс непосредственно в инструменте «Конфигуратор набора слоев и переходных отверстий»;

2. Управление материалами. Специалист разрабатывает не абстрактную структуру, а реальную. Контроль импеданса осуществляется в связке с библиотекой материалов и их параметров;

3. Оповещение инженера в случае выхода волнового сопротивления за указанный допуск;

4. Автоматическое применение рассчитанных параметров линий передачи в правилах;

5. Трассировка с учетом импеданса.

Список используемой литературы

  1. Печатные платы и узлы гигабитной электроники / Л.Н. Кечиев. – М.: Грифон, 2017. – 424 с.
  2. Обзор основных возможностей инструмента SimPCB для расчета параметров линий передач в программе Delta Design. — Современная электроника, №5/2024. 34-36 — стр. 
  3. Методы расчета волнового сопротивления линий передач на печатных платах. В.А. Ухин, Д.С. Коломенский, В.С. Кухарук, О.В. Смирнова. — Современная электроника, №9. — 2023. — 40-42 стр.
  4. Сравнение результатов расчетов волнового сопротивления линий передач на печатных платах. В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, В.А. Ухин, О.В. Смирнова. — Современная электроника,  №9. — 2023. — 43-45 стр.

_______________________________________________________________________________________________________________

Авторы:

Кухарук В.С. Ухин В.А. Гладкевич А.Ю. Тимасов Д. А.

Методология проектирования печатных плат с контролем волнового сопротивления в САПР Delta Design
Метки:                            
X