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深入分析:常說的3H原則在PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2024-07-15 15:20

3H”這個設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)我們一直在傳頌,到底它在具體PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目中到底效果怎么樣呢?話不多說,本期文章從理論到實(shí)際給大家全面分析,揭開它那神秘的面紗!

#串?dāng)_#仿真#高速#電磁場#阻抗#疊層

高速先生成員--黃剛


每一位剛進(jìn)入PCB行業(yè)的同學(xué),基本上頭幾個接觸到的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)就肯定少不了“3H”原則。當(dāng)然大家也都知道,這個原則是為了傳輸線之間的串?dāng)_改善而建立的規(guī)定,那就是要求傳輸線中心到中心的距離滿足至少3H的值(也就是空氣間距gap大于2H),其中H是傳輸線到參考平面的距離,其實(shí)也就相當(dāng)于是上下層PP或者CORE的厚度了,就好像下面的樣子。


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當(dāng)然PCB設(shè)計(jì)工程師本身只會對物理規(guī)則負(fù)責(zé),不對電氣規(guī)則負(fù)責(zé)。也就是說,SI工程師定下來“3H”原則后,PCB工程師通過疊層文件知道了H的數(shù)值后,然后在組內(nèi)的高速差分線應(yīng)用上去就好了??臻g緊張的滿足“3H”,空間不緊張的拉開到“5H”,甚至是驚人的“7H”!總之,PCB工程師只管在PCB版圖上實(shí)現(xiàn)就完事了。




這不有一天,公司內(nèi)一群好學(xué)的PCB工程師同事找到了Chris,想知道到底“3H”原則是不是就一定能讓高速信號之間的串?dāng)_變得很小了,有沒有必要做成“5H”甚至“7H”,總之就是,他們想讓Chris把物理規(guī)則量化成電氣規(guī)則。面對同事的“軟磨硬泡”,行唄,那就以他們手頭上的這個25Gbps的高速項(xiàng)目為例給他們說道說道。


Chris先打開他們設(shè)計(jì)文件的疊層,高速線走了很多個內(nèi)層,結(jié)構(gòu)線寬都相同。以L5層高速線為例,上面的core厚度是4mil,下面的PP也差不多4mil。然后按照100歐姆阻抗控制的話,線寬為4.5mil,線間距為7.5mil,如下所示:


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那我們把L5層的走線提取到3D模型中去,通過仿真來驗(yàn)證所謂的“3H”原則。模型就是下面這樣了。


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那首先我們看看只有一對走線的情況下,去仿真它的電磁場特性,結(jié)果如下:


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可以看到,電磁場的范圍基本上就在差分線中心往左邊或者右邊3H的距離,H是4mil。再遠(yuǎn)的地方其實(shí)就沒太多電磁場分布了。從參考地平面的角度去看也是類似的結(jié)論,如下所示,也還是基本集中在3H的范圍。


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當(dāng)然如果把另外一對做到3H原則的差分線一起放進(jìn)來看,也能有同樣的結(jié)論,左邊這對攻擊線的電磁場其實(shí)還沒波及到右邊這對受害線上面去。既然電磁場沒波及過去,也就說明其實(shí)串?dāng)_能量也不會很多的傳遞過去。


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Chris從電磁場的角度給設(shè)計(jì)的同事去分析,他們的確是有一種get到新知識的新鮮感,而且這個場的仿真結(jié)果也比較形象,能直觀的看到“3H”設(shè)計(jì)原則的效果,他們看到都紛紛表示。。。贊!


當(dāng)然,場的仿真結(jié)果其實(shí)也還是個定性的結(jié)果了,可能給PCB設(shè)計(jì)的同事看比較直觀,但是并沒有起到一個量化的效果。如果要量化具體指標(biāo)的話,還得回到傳統(tǒng)的S參數(shù)仿真方法,也就是直接進(jìn)行串?dāng)_的頻域仿真。

Chris對模型賦上一定的掃描變量,看看這兩對差分線從最小的“2H”到“3H”再到“5H”(其實(shí)Chris還順帶偷偷仿真了“7H”哈)的情況下串?dāng)_具體數(shù)量的差異!以下就是“2H”、“3H”和“5H”三種case的仿真模型。


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唰一下,不同差分線間距的串?dāng)_仿真結(jié)果都完成了,我們把結(jié)果放到一起來直觀的對比,如下所示:可以看到,2H的情況下串?dāng)_就比較大了,只有不到35db,3H的話已經(jīng)能做到50db,4H和3H其實(shí)差異就不大了,如果要往60db去做的話,就要達(dá)到5H的距離,如果繼續(xù)追求高指標(biāo)的話,7H可能是你們喜歡的設(shè)計(jì)哈!


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當(dāng)然對于25Gbps信號來說,編碼方式是NRZ編碼,其實(shí)3H是夠用的了。如果在同樣基頻下要跑到56Gbps-PAM4的話,可能需要往5H做,因?yàn)镻AM4的串?dāng)_的要求還是比較高的。反正需要做到多少間距,一個是看你們的產(chǎn)品的速率來定,另外就是看設(shè)計(jì)工程師能不能做到了哈。


當(dāng)Chris把這個量化的S參數(shù)結(jié)果做出來準(zhǔn)備再給設(shè)計(jì)部的同事展示的時候,發(fā)現(xiàn)他們早就跑光了,全部回去繼續(xù)做他們的設(shè)計(jì)去了,對于設(shè)計(jì)工程師來說,知道原理和定性的看到電磁場的結(jié)果,他們其實(shí)已經(jīng)滿足了……