PCB设计 高速背板设计与PCB布局技巧

PCB设计 高速背板设计与PCB布局技巧

PCB 设计如果需要将多块板连接到一个更大的系统，并提供它们之间的互连，则可以使用背板来排列这些板并将它们级联起来。 背板是一块高层板，它借鉴了高速设计、机械设计、高压/大电流设计甚至射频设计的一些元素。 这些板通常用于关键任务防御系统、电信系统和数据中心。 他们采用自己的一套标准，超出了IPC的可靠性要求。

尽管背板遵循许多其他 PCB 所没有的特定标准，但许多 PCB 设计人员都熟悉布局和布线中涉及的概念。 起初，大量的连接器和网络以及典型背板上的狭窄空间似乎很难。 尽管如此，一些简单的策略可以帮助您保持组织结构并完成背板设计，同时确保高可靠性。 我希望您能学到一些在布线和布局方面实施下一个背板设计的策略，以平衡可靠性和信号完整性。 内容就不多说了，让我们直接进入PCB设计这个内容丰富的领域吧。

背板设计简介

背板设计、PCB 布局和布线入口需要采取多种角度。 这些设计可能很困难，因为您可能会发现自己在空间和层数有限的大板上管理数千个连接。 此外，背板实际上可能参与为子卡供电，每个子卡可能通过各种高速设备拉动多个安培的电流。 这意味着您的背板可能需要支持大约 100 A 的电流。

由于背板的主要功能是在大型系统中的多个板之间提供连接，因此一切都围绕您将使用的连接器展开，而这些连接器是您设计的起点。 以下是背板设计中涉及的一些基本任务：

引脚排列：第一步是确定连接器上的引脚排列以支持所需的路由拓扑。 我将在下面进一步介绍。

机械要求：除了正确放置子板连接器外，还使用导销来确保正确配合和结构完整性。 列表底部的图像显示了与背板连接器一起使用的典型导销。

材料选择：对于高速背板，这是设计过程中的关键点。 由于背板可能非常大，任何需要穿过整个背板的信号都可能遭受重大损失。 需要具有紧密玻璃编织层的低损耗层压板，以最大限度地减少长互连的插入损耗。

电源和接地策略：对于需要为大量子板提供高功率的背板，您将需要有助于保持低温的电源和接地策略。 不同平面层的接地/电源平面布局也应为电路板上隔离的高速信号提供隔离。

层数：背板所需的层数将取决于平面层数和所需的信号层数。 背板最多可达24层，厚度可达数毫米，可满足所有设计要求。

上述几点与任何其他高速线路设计中要考虑的点相同。 但是，一旦在背板上工作，情况就会不同，因为连接器的引脚排列会限制布线。 这是背板设计的重要组成部分，应仔细规划。

所有涉及连接器、引脚分配和接线

初始设计阶段的大部分时间都集中在背板上的连接器上。 选择连接器（包括背板连接器）既是一门艺术，也是一门科学。 这些连接器将成为信号完整性的主要决定因素。 仿真对于确保信号在连接器跟踪接口处不会过度衰减非常重要。

连接器中的引脚排列也很重要，因为它有助于简化每一层的布线。 特别是，您的引脚排列应实现两个目标：

它的设计应防止给定层上的信号在路由到背板总线上的所有连接器时相互交叉。 如果操作正确，您可以消除一些信号层。

理想情况下，当到达每个连接器上的引脚时，布线应平滑地穿过整个背板（大多数层）。

最好逐行执行此操作，类似于下面显示的差分对布线。 请注意每个连接器上的引脚在每一列中是如何交错排列的，从而允许差分对中的布线进入连接器引脚行之间。 如果所有引脚都在同一列中，我需要 2 层而不是 1 层来进行 PCB 布线。

考虑到所有这些设计要求，我发现很难在我的第一个背板中实现所有这些平衡，我们甚至没有进行初始电路板组件布局。 您在组件布局上不会有太大的自由度，但只要您在整个连接器中排列引脚并保持一致，就可以在通过背板路由信号时保持井井有条。 帮助您成功的其他技巧包括：

尽量减少高速信号的跳变。 每个通孔都会增加互连的插入损耗，需要尽可能降低插入损耗。

高速反钻通过过渡。 反向钻孔会增加成本，但会最大限度地减少长传输线上的短截线不连续性。

不要害怕跌倒。 接地回流的使用有助于不同高速接线组之间的隔离，保证一致的阻抗曲线，并为高回流电流提供足够的导体。

将所有未使用的信号层设为平面层。 如果您想通过背板供电，不必担心将额外的电源板掉入堆叠中。 在多个电源层之间分配电流有助于保持 PDN 冷却。

背板设计不适合胆小的人，因为它需要多个专业才能成功。 但是，如果您拥有合适的设计师团队和一套完整的设计工具，您就可以在一个平台上完成设计过程的大部分方面。 您将能够通过一个程序完成背板设计并为pcb生产做准备。