. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Průvodce návrhem rozraní HDMI - 2.díl
22. dubna 2009 | T. Kugelstadt | Průvodce návrhem rozraní HDMI - 2.díl | Komentářů: 3  

Průvodce návrhem rozraní HDMI - 2.díl

Pravidla návrhu desek s plošnými spoji pro vysokorychlostní signálové cesty, s přihlédnutím na signály HDMI. V článku jsou postupně zmíněny základní aspekty návrhu PCB pro rychlé, diferenciální datové sběrnice.

Směrovací pravidla
Pravidla pro směrování tras na desce s plošnými spoji jsou nezbytná, když se snažíme udržet integritu signálu a nízké elektromagnetické interference. Ačkoli se zdá, že existuje nekonečné množství varování, které se musí při každém návrhu zohlednit, v této části předkládáme jen několik hlavních doporučení.

  1. Omezte asymetrii páru v rozdílných trasách tím, že vložíte malé opravy ohybů
  2. Omezte asymetrii páru, způsobenou umístěním komponentů a výstupů integrovaných obvodů tím, že uděláte větší opravu ohybu podél cesty signálu. Používejte zkosené rohy s poměrem vzdálenosti k trase mezi 3 a 5. Vzdálenost mezi ohyby by měla být minimálně osmi- až desetinásobkem délky trasy.
  3. Používejte 45° ohyby (zkosené rohy) místo pravoúhlých (90°) ohybů. Pravoúhlé ohyby zvyšují efektivní šířku trasy, která mění impedanci celkové trasy signálu a vytváří malé přerušení. 45° ohyby vykazují dokonce menší nespojitost.


Obr. 7: Šikmé snížení pomocí ohýbání použitím zkosených rohů

  1. Pokud obcházíme předmět, směrujte obě trasy páru paralelně. Rozdělení tras mění vzdálenost mezi linkami, což vede ke změně diferenciální impedance a vzniku disproporce.


Obr. 8: Směrování okolo předmětu

  1. Pasivní komponenty, jako např. odpory pro vyrovnávání zdrojů nebo vazební kondenzátory se střídavým proudem umístěte vedle sebe. Směrování jako v prvním případě následujícího obrázku sice vytváří širší mezeru mezi trasami než druhá varianta, výsledné přerušení se však omezuje na výrazně užší elektrickou délku.


Obr. 9: Hromadění přerušení

  1. Pokud vedete trasy vedle průchozího pokovení nebo mezi sadou průchozích pokovení ujistěte se, že prostor průchozího pokovení nepřerušuje cestu zpětného proudu na podložní zemní vrstvě.


Obr. 10: Zamezení prostorů průchozího pokovení

  1. Vyhněte se kovovým vrstvám a trasám pod nebo mezi bloky konektorů HDMI pro lepší sladění impedance. Jinak může diferenciální impedance klesnout pod 75 ohmů a vaše deska neuspěje při testování reflektometrem.


Obr. 11: Udržování ploch mimo oblast mezi edge-fingers

  1. Používejte co nejmenší velikost průchozích prokovení signálových tras a konektorových bloků HDMI, protože mají menší vliv na 100 ohmů diferenciální impedanci. Rozsáhlé průchozí pokovení a bloky mohou způsobit, že impedance klesne až pod 85 ohmů.
  2. Používejte kvalitní výkonovou a uzemňovací vrstvu pro 100 ohmů impedanční kontrolu a minimální výkonový šum.
  3. Pro 100 ohmů diferenciální impedanci používejte co nejmenší mezery mezi trasami, které jsou obvykle určeny dodavatelem desky s plošnými spoji. Ujistěte se, že konfigurace na obr. 5 jsou: s < h, s < W, W < 2•h, a d > 2•s. Ještě lepší je použít dvourozměrného řešitele, který určí konfiguraci trasy ještě přesněji.
  4. Udržujte elektrickou délku trasy mezi konektorem HDMI a zařízením co nejkratší, aby se minimalizovalo zeslabení.
  5. Používejte kvalitní konektory HDMI, jejichž impedance odpovídají technickým podmínkám.
  6. Umístěte velké kondenzátory (tj. 10 µF) blízko ke zdrojům, jako jsou stabilizátory napětí nebo místa, přes něž na desku s plošnými spoji přichází energie
  7. Umístěte menší kondenzátory (0,1 µF nebo 0,01 µF) k samotnému obvodu.

Referenční roviny
Výkonové a uzemňovací vrstvy vysokorychlostních obvodů na plošném spoji musí obvykle uspokojit celou řadu požadavků.
Při stejnosměrném proudu a nízkých frekvencích musí do napájecích bodů integrovaných obvodů a do konečných odporů dodávat stabilní referenční napětí.

Při vysokých frekvencích plní referenční roviny, zejména pak uzemňovací vrstvy, celou řadu úkolů. Pro návrh kontrolovaných impedančních přenosových systémů by měla uzemňovací vrstva poskytovat pevné elektrické sloučení s rozdílnými trasami sousední signální vrstvy. Jak jsme zmínili dříve, pevné spojení ruší magnetická pole a tím minimalizuje elektromagnetické interference díky nižšímu vyzařování příčně elektromagnetických vln ze zbývajících rozptylových polí. Abyste zajistili pevné propojení, umístěte uzemňovací vrstvu vedle vysokorychlostní signálové vrstvy.


Obr. 12: Spojování polí v mikropáskové struktuře

Ačkoli běžná signalizace obvykle nepožaduje samostatnou cestu pro zpětný proud, vždy se najdou určité formy šumu soufázového proudu, které se spojují s nejbližší referenční rovinou (což je obvykle uzemňovací vrstva). Aby se zajistila nepřerušovaná cesta pro zpětný proud s nízkou impedancí, musí být referenční rovina z kvalitních měděných plátů, bez děr a prasklin.

Sestavy vrstev s více výkonovými systémy mohou využít referenční roviny, které jsou spojeny s průchozími pokoveními. V tom případě jsou uzemňovací vrstvy ve více provedeních spojeny více průchozími prokoveními, která jsou rozmístěna v pravidelných intervalem po celé desce. Obdobný způsob platí i pro spojování výkonových vrstev.

Pro spojené referenční roviny je důležité, aby prostor průchozího pokovení (nebo tzv. anti pads v případě uzemňovacích průchozích pokovení) nenarušoval cestu zpětného proudu. V tom případě by si zpětný proud totiž našel jinou cestu a jeho elektromagnetické pole by pravděpodobně narušilo pole jiných signálových tras a způsobilo přeslech. Navíc by tato překážka nepříznivě ovlivnila i impedanci okolo hlavních tras.


Obr. 13: Cesta zpětného proudu na kvalitní a uzemňovací vrstvě a cesta okolo překážky

Průchozí pokovení
Termín průchozí pokovení (anglicky "via") obvykle představuje pokovený otvor v desce s plošnými spoji. Protože některé aplikace požadují průchozí pokovení tak široké, aby vyhověly komponentům pro průchozí otvory, návrhy vysokorychlostních desek je většinou používají jako otvory pro vedení tras při změnách signálních vrstev anebo jako spojovací otvory pro propojení komponentů SMT k požadované referenční rovině a rovněž ke spojení referenčních rovin stejné úrovně navzájem.

Vrstvy se pro propojení s průchozím pokovením napojí na podložku okolo průchozího pokovení. Vrstvy, které se nesmí spojit, jsou odděleny od průchozího pokovení oddělovacím prstencem. Každé průchozí pokovení má kapacitní odpor k uzemnění, který lze přiblížit s použitím následujícího vzorce:

kde D2 = průměr průchozího pokovení na uzemňovací vrstvě [in].
D1 = průměr podložky okolo průchozího pokovení, [in].
T = tloušťka desky s plošnými spoji, [in].
= dielektrická konstanta obvodové desky.
C = parazitní kapacitní otvor odporu, [pF].

Protože kapacitní odpor roste proporcionálně s velikostí, trasové průchozí pokovení ve vysokorychlostních návrzích by měla být co nejmenší, aby se omezilo snížení signálu způsobené vysokým přísunem energie.

Když se připojují oddělovací kondenzátory na uzemňovací vrstvu nebo propojují uzemňovací vrstvy, indukční odpor průchozího pokovení se stává důležitější než jeho kapacitní odpor. Velikost tohoto kapacitního odporu je přibližně:

kde L = indukční odpor průchozího pokovení, [nH].
h = délka průchozího pokovení, [in].
d = průměr průchozího pokovení, [in].

Protože tato rovnice obsahuje logaritmus, změna průměru průchozího pokovení ovlivňuje indukční odpor jen nepatrně. Velkou změnu může způsobit změna délky průchozího pokovení nebo použití více průchozích pokovení paralelně. Proto připojujte oddělovací kondenzátory k uzemňovací vrstvě pomocí dvou paralelních průchozích pokovení na každé koncové zařízení. Pro spojení mezi uzemňovacími vrstvami, které má nízký indukční odpor, použijte více průchozích pokovení v pravidelných rozestupech po celé desce.

Přestože se důrazně doporučuje vrstvy vysokorychlostních tras nekřížit, pokud je to nezbytné, musí se zaručit nepřerušovaná cesta pro zpětný proud. Obr. 14 vlevo zobrazuje průchod zpětného proudu pro změnu jedné vrstvy a vpravo pro změnu více vrstev.


Obr. 14: Cesty zpětného proudu pro změnu jedné a více vrstev

Průchod proudu z dolní na horní část uzemňovací vrstvy umožňuje kovové laminování vnitřního oddělovacího prstence. Takže když signál prochází průchozím pokovením a pokračuje na opačné straně stejné vrstvy, přerušení zpětného proudu neexistuje.
Změna cesty signálu z jedné vrstvy na jinou překřížením více referenčních rovin komplikuje návrh cesty zpětného proudu. V případě dvou uzemňovacích vrstev musí být jejich spojovací průchozí pokovení umístěné blízko signálového průchozího pokovení, aby se dosáhlo nepřerušené cesty zpětného proudu (pravé schéma na obr. 14).
Pokud mají referenční roviny jiný napěťový potenciál, jako např. výkonová a uzemňovací vrstva na obr. 15, návrh cesty zpětného proudu se stává chaotickým, protože potřebuje třetí průchozí pokovení a oddělovací kondenzátor. Průchod zpětného proudu začíná na spodní části výkonové vrstvy, kde je nejblíže signálnímu proudu. Pak prochází přes výkonové průchozí pokovení, skrz oddělovací kondenzátor do uzemňovacího průchozího pokovení a vrací se na horní stranu uzemňovací vrstvy.


Obr. 15: Cesty zpětného proudu pro změnu jedné a více vrstev

Cesty odraženého proudu, které se skládají z více průchozích pokovení a oddělovacích kondenzátorů, mají vysoký indukční odpor, takže snižují integritu signálu a zvyšují elektromagnetické interference. Pokud je to možné, vyhněte se změnách vrstev během směrování vysokorychlostních tras, protože to obvykle snižuje výkonnost desky, komplikuje návrh a zvyšuje výrobní náklady.

Oddělovací kondenzátory
Oddělovací kondenzátory představují lokální zdroj napájení pro integrované obvody, které požadují větší množství napájecího proudu jako reakci na interní přepínání. Nedostatečné rozpojení způsobuje nedostatek požadovaného napájecího proudu, což může znamenat nesprávný chod integrovaného obvodu a vznik datových chyb v integritě signálu. Proto je nutné zajistit nízkou impedanci po celé škále požadovaných frekvencí. Standardním přístupem je rozmístění oddělovacích kondenzátorů rovnoměrně po celé desce. Kromě správy integrity signálu pak oddělovací kondenzátory slouží i jako filtry elektromagnetické kompatibility, které zabraňují vysokofrekvenčním radiovým signálům, aby se rozšířily po desce s plošnými spoji.

Když připojujeme kondenzátor mezi výkonovou a uzemňovací vrstvu využíváme napájecí proud se sérií resonančních obvodů, jejichž na frekvenci závislé komponenty RLC představují shodný obvod skutečného kondenzátoru. Obr. 16 ukazuje parazitní komponenty úvodního shodného obvodu a jejich přeměnu na sérii resonančních obvodů.


Obr. 16: Ztráty kondenzátoru formované sérií rezonančních obvodů

Svodový odpor RL představuje ztrátu kvůli unikajícímu proudu při nízkých frekvencích. RD a CD označují ztráty kvůli molekulární polarizaci (RD) a dielektrické absorpci (CD). RS zobrazuje odpor na anodách a katodách kondenzátoru. Tyto tři odporové ztráty jsou sloučeny do jednoho zdánlivého odporu (equivalent series resistence; ESR). Stejně jako ESR, tak zdánlivý indukční odpor (equivalent series inductance; ESL) spojuje indukční odpor anody kondenzátory a interních katod.

Poznamenejte si, že průchozí pokovení spojující kondenzátor i přes svůj nízký indukční odpor přispívají významnou měrou k sériovému indukčnímu odporu. Proto snižte indukční odpor průchozího pokovení použitím dvou průchozích pokovení na kondenzátor.

Obr. 17 ukazuje nárůst impedance kondenzátoru (Z) vzhledem k frekvenci pro 10nF kondenzátor. Při frekvencích daleko od rezonanční frekvence (self resonance frequency; SRF) dominuje kapacitní odpor. Blíže k SRF získává indukční odpor na významu a snaží se neutralizovat kapacitní komponentu. Na úrovni SRF se kapacitní a indukční odpor vyruší a efektivní je pouze ESR. Uvědomte si, že ESR je závislé na frekvenci a narozdíl od obecného povědomí nedosahuje svého minima na úrovni SRF. Impedance Z nicméně ano.


Obr. 17: Impedance kondenzátoru vzhledem k frekvenci

Paralelní zapojení kondenzátorů v distribuovaném protivazebním článku funguje, protože celkový kapacitní odpor roste do , kde n je počet použitých oddělovacích kondenzátorů. A při impedance kondenzátoru klesá na pro frekvence pod SRF. To samé platí pro indukční odpor, kde a protože , tak impedance klesá k pro frekvence nad SRF.

Navržení kvalitního protivazebního článku musí obsahovat nižší frekvence směrem ke stejnosměrnému proudu, který potřebuje vložení velkých kondenzátorů. Proto pro zajištění dostatečné impedance při nízkých frekvencích umístěte 1µF až 10 µF tantalové kondenzátoy na výstup stabilizátorů napětí a na místo příchodu energie na desku s plošnými spoji. Pro vyšší frekvence umístěte několik 0,1µF či 0,01µF keramických kondenzátorů vedle každého vysokorychlostního integrovaného obvodu.

Shrnutí
Aniž by chtěl být kompletní, cílem tohoto článku je pokrýt hlavní aspekty návrhu vysokorychlostních desek s plošnými spoji. Bez ohledu na nepřeberné množství technické literatury, semináře, časopisy a internetová fóra o tomto tématu, záměrem tohoto článku je poskytnout návrhářům desek s plošnými spoji hlavní pravidla návrhu velmi komplexním způsobem.
Následování uvedených doporučení pomůže vytvořit návrh desky shodující se standardy EMC v tom nejkratším čase.

Reference

  • “High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic,” by Howard W. Johnson and Martin Graham Prentice Hall, 1993; ISBN 0-13-395724-1
  • “Noise Reduction Techniques in Electronic Systems,” by Henry Ott, 1988 ISBN: 978-0-471-85068-7
  • “Eliminating the myths about printed circuit board power/ground plane decoupling,” by Bruce Archambeault, Ph.D., IBM Corporation, 2001
  • Více informací naleznete rovněž na www.ti.com/interface.

Autor: Thomas Kugelstadt

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

Texas Instruments - Interface







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk
Příbuzné články:
Metodika návrhu plošných spojů I – Úvod
Metodika návrhu plošných spojů II –Návrh plošného spoje
Metodika návrhu plošných spojů III – Vedení spojů a finální úpravy
Metodika návrhu plošných spojů IV – Generování technologických dat
Metodika návrhu plošných spojů V – Technologie výroby plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů VI – Technologie výroby plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů VII – Povrchová montáž
Metodika návrhu plošných spojů VIII – Součástky pro povrchovou montáž
Metodika návrhu plošných spojů IX – Pájení SMD
Metodika návrhu plošných spojů X – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XI – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XII – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XIII – Vlastnosti plošných spojů
Metodika návrhu plošných spojů XIV – Kapacitní zátěž a přeslechy
Metodika návrhu plošných spojů XV – Zatížení vodičů na plošném spoji
Metodika návrhu plošných spojů XVI – Elektromagnetická kompatibilita
Metodika návrhu plošných spojů XVII – Elektromagnetická kompatibilita
Metodika návrhu plošných spojů XVIII – Normy EMC
Metodika návrhu plošných spojů XIX – Elektromagnetické pole
Metodika návrhu plošných spojů XX – Součástky a EMC
Průvodce návrhem rozraní HDMI - 1.díl
Průvodce návrhem rozraní HDMI - 2.díl
Optimalizace výkonu SAR ADC správným návrhem PCB

Komentáře (3):

Zobrazit starší 30 dnů (3)...

host
3. Dne 22. 06. 2010 v 14:05 zaslal host
Bez titulku
Skvělé informace, díky za článek. Vlastně ani v titulku nemusí být HDMI, tohle jsou informace, které jsou důležité i pro USB, ethernet a další rychlá rozhraní.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Bluetooth modul BTM-112
BTM-112 je snadno dostupný Bluetooth modul výrobce Rayson.
Skladem od 208 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007