PCB設計 高速背板設計與PCB布局技巧

PCB 設計如果需要將多塊板連接到一個更大的系統，并提供它們之間的互連，則可以使用背板來排列這些板并將它們級聯起來。 背板是一塊高層板，它借鑒了高速設計、機械設計、高壓/大電流設計甚至射頻設計的一些元素。 這些板通常用于關鍵任務防御系統、電信系統和數據中心。 他們采用自己的一套標準，超出了IPC的可靠性要求。

盡管背板遵循許多其他 PCB 所沒有的特定標準，但許多 PCB 設計人員都熟悉布局和布線中涉及的概念。 起初，大量的連接器和網絡以及典型背板上的狹窄空間似乎很難。 盡管如此，一些簡單的策略可以幫助您保持組織結構并完成背板設計，同時確保高可靠性。 我希望您能學到一些在布線和布局方面實施下一個背板設計的策略，以平衡可靠性和信號完整性。 內容就不多說了，讓我們直接進入PCB設計這個內容豐富的領域吧。

背板設計簡介

背板設計、PCB 布局和布線入口需要采取多種角度。 這些設計可能很困難，因為您可能會發現自己在空間和層數有限的大板上管理數千個連接。 此外，背板實際上可能參與為子卡供電，每個子卡可能通過各種高速設備拉動多個安培的電流。 這意味著您的背板可能需要支持大約 100 A 的電流。

由于背板的主要功能是在大型系統中的多個板之間提供連接，因此一切都圍繞您將使用的連接器展開，而這些連接器是您設計的起點。 以下是背板設計中涉及的一些基本任務：

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。 我將在下面進一步介紹。

機械要求：除了正確放置子板連接器外，還使用導銷來確保正確配合和結構完整性。 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。

材料選擇：對于高速背板，這是設計過程中的關鍵點。 由于背板可能非常大，任何需要穿過整個背板的信號都可能遭受重大損失。 需要具有緊密玻璃編織層的低損耗層壓板，以最大限度地減少長互連的插入損耗。

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。 不同平面層的接地/電源平面布局也應為電路板上隔離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和所需的信號層數。 背板最多可達24層，厚度可達數毫米，可滿足所有設計要求。

上述幾點與任何其他高速線路設計中要考慮的點相同。 但是，一旦在背板上工作，情況就會不同，因為連接器的引腳排列會限制布線。 這是背板設計的重要組成部分，應仔細規劃。

所有涉及連接器、引腳分配和接線

初始設計階段的大部分時間都集中在背板上的連接器上。 選擇連接器（包括背板連接器）既是一門藝術，也是一門科學。 這些連接器將成為信號完整性的主要決定因素。 仿真對于確保信號在連接器跟蹤接口處不會過度衰減非常重要。

連接器中的引腳排列也很重要，因為它有助于簡化每一層的布線。 特別是，您的引腳排列應實現兩個目標：

它的設計應防止給定層上的信號在路由到背板總線上的所有連接器時相互交叉。 如果操作正確，您可以消除一些信號層。

理想情況下，當到達每個連接器上的引腳時，布線應平滑地穿過整個背板（大多數層）。

最好逐行執行此操作，類似于下面顯示的差分對布線。 請注意每個連接器上的引腳在每一列中是如何交錯排列的，從而允許差分對中的布線進入連接器引腳行之間。 如果所有引腳都在同一列中，我需要 2 層而不是 1 層來進行 PCB 布線。

考慮到所有這些設計要求，我發現很難在我的第一個背板中實現所有這些平衡，我們甚至沒有進行初始電路板組件布局。 您在組件布局上不會有太大的自由度，但只要您在整個連接器中排列引腳并保持一致，就可以在通過背板路由信號時保持井井有條。 幫助您成功的其他技巧包括：

盡量減少高速信號的跳變。 每個通孔都會增加互連的插入損耗，需要盡可能降低插入損耗。

高速反鉆通過過渡。 反向鉆孔會增加成本，但會最大限度地減少長傳輸線上的短截線不連續性。

不要害怕跌倒。 接地回流的使用有助于不同高速接線組之間的隔離，保證一致的阻抗曲線，并為高回流電流提供足夠的導體。

將所有未使用的信號層設為平面層。 如果您想通過背板供電，不必擔心將額外的電源板掉入堆疊中。 在多個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，因為它需要多個專業才能成功。 但是，如果您擁有合適的設計師團隊和一套完整的設計工具，您就可以在一個平臺上完成設計過程的大部分方面。 您將能夠通過一個程序完成背板設計并為pcb生產做準備。