Routing-Strategie - 24-Bit-RGB-Anzeige auf einer 4-Lagen-Leiterplatte

Ich verlege Spuren zwischen einem Mikrocontroller und einem TFT-Display (24-Bit-RGB, Taktfrequenz bei 18 MHz). Der Aufbau ist:

  • L1 - Signal
  • L2 - GND (feste Schicht)
  • L3 - PWR (feste 3,3 V im interessierenden Bereich)
  • L4 - Signal

Die Komponenten sind nur oben, um die Herstellungskosten zu senken (dies erklärt auch die Wahl eines 4-Lagen-Aufbaus).

Ich entwarf eine erste Version dieses Boards, die gut funktionierte und es erlaubte, die gesamte Software zu entwickeln und zu testen. Jetzt entwerfe ich gerade eine neue Board-Version, die einigen mechanischen Einschränkungen unterliegt. Einige Signale waren etwas verrauscht, aber die Anzeige funktionierte gut. Ich würde gerne das Routing etwas verbessern.

Ich sehe zwei verschiedene Strategien, um die Signale zwischen der MCU und dem Display zu leiten. Ich denke, es ist verständlich, dass ich nicht nur auf der obersten Ebene routen kann, obwohl es ideal wäre ... Die folgenden Screenshots sind nur erste Entwürfe und kein Layout für die Produktion.

  • Option 1: Das ist die Option, die ich in den ersten Platinen verwendet habe, Vias befinden sich sowohl auf der MCU-Seite als auch auf der Steckerseite (kurz vor dem Netzwerk aus 0-Ohm-Widerständen)

Option 1

  • Option 2: Durchkontaktierungen sind um die MCU herum konzentriert. Das Ziel war, dass der Rückstrompfad durch die MCU-Entkopplungskondensatoren verläuft, um von der 3,3-V-Ebene zur Masseebene zu springen.

Option 2

Fragen:

  1. Ist eine dieser Optionen aus Sicht der Signalintegrität/EMV besser?
  2. Option 2 veranlasst mich, einen Massebereich innerhalb der Leistungsebene (L3) und Durchkontaktierungen zwischen L2 (Masseebene) und L3 (Massebereich innerhalb der Leistungsebene) zu haben, sodass der Rückstrompfad frei von L3 zu L2 und dem anderen springen kann Umgekehrt (siehe Bild unten) Ist es etwas, das Sinn machen würde? Ich habe noch nie eine solche Designauswahl in anderen PCB-Layouts gesehen, aber ich habe auch keine Leute gesehen, die TFT-Displays auf L4-PCB geroutet haben.
  3. Gibt es einen besseren Weg, es zu lösen?

Option 2 mit Masse in L3

EDIT 1: Obwohl es bei der Frage nicht um die Längenanpassung geht, gebe ich hier die Zahlen an, um zu rechtfertigen, warum ich keine Längenabstimmung vorgenommen habe.

Taktfrequenz < 18 MHz <=> Periode > 55 ns

Bei einer Signalgeschwindigkeit in PCB von 15 cm/ns und einem zulässigen Versatz von einem Viertel der Periode ergibt dies 2 Meter. Ich glaube, dass die Abweichung von 3 cm in den obigen Beispielen nicht wichtig ist.

EDIT 2: Schnelle Messung einer Datenleitung (lila) und einer Taktleitung (gelb) auf der aktuellen Platine mit angeschlossenem und laufendem Bildschirm (es ist keine richtige 10/90% -Messung). Ich vertraue diesen Zahlen nicht wirklich, da es sich um ein 100-MHz-Oszilloskop mit einer 100-MHz-Sonde (20 pF-Sonde) handelt. Es scheint jedoch die für den Bildschirm angeforderte Setup- und Haltezeit von 12 ns zu erfüllen. Die Antriebsstärke an der MCU ist auf den niedrigsten Einstellungen (bei der höchsten Einstellung wird die Anstiegszeit durch zwei geteilt, aber es führt ein gewisses Klingeln ein, so viel das Oszilloskop erkennen kann).

scope_rising edge

Diese Zahl stammt von der ersten Überarbeitung der Platine mit einem Layout ähnlich Option 1, aber mit um 3 cm kürzeren Signallängen und einer Abweichung zwischen den Leitungen von 3 cm. Screenshot unten.

erste Überarbeitung

EDIT 3: FAZIT (EMV-Prüfung für CE-Kennzeichnung)

Seit meiner letzten Bearbeitung haben wir das Board herstellen lassen. Wir haben uns für den einfachsten Weg entschieden. Wir haben die Signale nicht in der Länge angepasst, wir haben keine PCB mit kontrollierter Impedanz verwendet, wir hatten eine solide Masseebene in L2, eine solide 3,3-V-Ebene in L3. Wir haben basierend auf Option 2 mit den Durchkontaktierungen in der Nähe der MCU geroutet. Auf der Unterseite der Leiterplatte wurden für jede Leitung Testpunkte hinzugefügt (zum Testen mit einem Nagelbett).

Das Brett war funktionstüchtig. Wir hatten die Möglichkeit, EMV-Tests für das CE-Zeichen (für Heimprodukte) zu durchlaufen. Die Karte hat die Strahlungsfestigkeitstests (Kriterium A, da alles funktionsfähig) und die Strahlungsemissionstests (30 MHz bis 400 MHz) bestanden. Einige Oberwellen des 25-MHz-Oszillators (verwendet für die MCU) waren tatsächlich sichtbar (ab 425 MHz, 450 MHz, 475 MHz usw.) und nicht weit von den Grenzwerten für das CE-Zeichen entfernt. Nach einigen Tests schien das Problem behoben zu sein, ohne dass der Bildschirm an die Platine angeschlossen war. Am Ende ersetzten wir die O-Ohm-Widerstände an den RGB- und Taktleitungen durch einige Ferritperlen. Das gab uns einen zusätzlichen Spielraum von 5 dBV/m für die schlechteste Spitze.

Für die CE-Kennzeichnung verwendete Normen:

  • für Strahlungsemissionsprüfungen: EN 61000-6-3
  • für Strahlenfestigkeitsprüfungen: EN 61000-4-3

Ich kann nicht sagen, ob das Board optimal geroutet wurde, aber es scheint für unsere Anforderungen ausreichend zu sein. Ich hoffe, dass dieses Ergebnis für andere Menschen nützlich sein wird.

Sie sollten auch die Länge der Signalspuren anpassen, also ist es komplizierter.
Da die Taktfrequenz <18 MHz beträgt, glaube ich, dass die Längenanpassung nicht kritisch ist. Taktperiode ist > 55 ns. Bei einem Skew von der Hälfte der Periode (27,5 ns) würde dies zu einer Länge von 3,8 Metern (15 cm/ns in PCB) führen.
Abgesehen vom Layout sehen die SMD-Bauteile neben dem Stecker wie Vorwiderstände aus. Keine Entkopplungskappen? Viele kleine dort würden wahrscheinlich einen großen Unterschied für EMC machen, auf Kosten von Platz und BoM.
@Lundin Ja, richtig, es sind vorerst 0 Ohm 0402-Widerstände. Sie sollten für alle Fälle da sein ... Wie hier "Die Emissionsminderung, die sich aus dem RGB-Signal ergibt, wurde durch Hinzufügen des Widerstands in Reihe auf jeder RGB- und Taktleitung erhalten." ( unisystem-displays.com/en/news/emc-test.html ). Meinen Sie die Verwendung von Entkopplungskappen für Daten- / Takt- / Synchronisierungsleitungen? Haben Sie einige Referenzen zu dieser Technik? Danke
@Marmoz Die Taktfrequenz ist in diesem Fall irrelevant. Sie müssen sich der Anstiegsgeschwindigkeit (Anstiegszeit) des Signals bewusst sein. Dies ist die Begrenzungsgeschwindigkeit, und die interessierende Frequenz ist 1/Anstiegszeit.
Ja, hauptsächlich auf Daten-/Taktleitungen. Im Grunde ein kleiner RC-Filter, aber mit ausreichend niedrigen Werten, um die Daten nicht zu beeinflussen. In der Tat ist die Anstiegsgeschwindigkeit entscheidend, und die Anzeigen könnten dort etwas wählerisch sein.
@DerStrom8 Kannst du ein bisschen mehr Details geben?
Die Anstiegszeit des Signals ist entscheidend, um ein sauberes Signal zu liefern, das die Empfänger als Pegelübergang erkennen können. Wenn Ihr Layout diese Übergänge verlangsamt, können die Empfänger den Übergang nicht erkennen und einige Daten nicht lesen. Daher müssen Sie Ihr Layout so gestalten, dass dessen Einfluss auf die Anstiegs- und Abfallzeiten der Signale minimiert wird. Aus diesem Grund spielt die Taktrate keine Rolle. Sie müssen Ihre Leiterbahnen, Komponenten, Vergüsse usw. so verlegen, dass sie die mit der Anstiegsgeschwindigkeit der Takt-/Datenleitungen verbundenen Frequenzen nicht beeinflussen.

Antworten (1)

Ist eine dieser Optionen aus Sicht der Signalintegrität/EMV besser?

Angenommen, Ihre RGB-Signale liegen irgendwo zwischen 1,8 V und 3,3 V Logik und angesichts der Tatsache, dass es Single-Ended-Signale gibt, sind sie anfällig für Emissionen. Wenn dies tatsächlich auf Ihrer Bedenkenliste steht, würde ich ein paar Optionen empfehlen, die ich in meinen bisherigen Erfahrungen verwendet habe:

  • Verwenden Sie entweder Schicht 2 oder 3, um Ihre Signale zu leiten, und schalten Sie entweder die Erdungs- oder Stromversorgungsebene lokal auf äußere Schichten um: Dies ist wahrscheinlich mehr Arbeit, als Sie bereits getan haben, aber indem Sie die Spuren innerhalb der Leiterplatte entgraten, können Sie sie effektiv abschirmen Außenwelt, wenn sie richtig implementiert ist. Meiner Ansicht nach ist dies die effektivste Technik, könnte aber schwierig zu implementieren sein (z. B. viel Rücksicht auf den Ground Return nehmen).
  • Fügen Sie dem Ausgang der MCU einen RC-Filter hinzu (es kann zunächst ein 0-Ohm-Jumper und ungeladene Kondensatoren sein): Mit diesem Filter können Sie die scharfen Flanken Ihrer Signale abrunden und die Energie in den Oberwellen drastisch reduzieren Signal. Seien Sie jedoch vorsichtig mit dieser Methode, Sie verschlechtern effektiv die Signalqualität und könnten zu fehlerhaften Anzeigen führen. Stellen Sie sicher, dass das Signal innerhalb der empfohlenen elektrischen RGB-Spezifikationen bleibt. Beachten Sie, dass Sie eine Ferritperle verwenden könnten, um das Widerstandselement zu ersetzen, es kann manchmal helfen, die Emission bei Hochfrequenz effektiver zu reduzieren.

Beachten Sie, dass Sie, wenn Sie ein perfekt abgeschirmtes Gehäuse haben, NICHT zu viel darüber nachdenken, da Sie sich möglicherweise auf diesen Faraday-Käfig verlassen können.

Option 2 veranlasst mich, einen Massebereich innerhalb der Leistungsebene (L3) und Durchkontaktierungen zwischen L2 (Masseebene) und L3 (Massebereich innerhalb der Leistungsebene) zu haben, sodass der Rückstrompfad frei von L3 zu L2 und dem anderen springen kann Umgekehrt (siehe Bild unten) Ist es etwas, das Sinn machen würde? Ich habe noch nie eine solche Designauswahl in anderen PCB-Layouts gesehen, aber ich habe auch keine Leute gesehen, die TFT-Displays auf L4-PCB geroutet haben.

Es macht sehr viel Sinn, ich würde dasselbe tun und das Triebwerk abräumen, um stattdessen den Boden fließen zu lassen. Stellen Sie sicher, dass Sie eine Reihe von Durchkontaktierungen verwenden, um sie miteinander zu verbinden, und Sie möchten möglicherweise auch die MCU an diese Grundebene binden.

Gibt es einen besseren Weg, es zu lösen?

In Bezug auf die funktionale Implementierung würde ich sagen, dass Sie hier auf den Punkt kommen. Nur um sicherzugehen, haben Sie die Leiterbahnbreite so bemessen, dass ihre Impedanz 50 Ohm beträgt (oder was auch immer die Zielimpedanz von RGB-Signalen ist)?

Ich möchte erwähnen, dass die Taktfrequenz nicht das ist, was Sie für den Längenanpassungsteil beunruhigen sollte. Sie sollten die ansteigenden und abfallenden Flanken Ihrer Signale berücksichtigen und prüfen, ob Ihre Spuren als konzentrierte Übertragungsleitungen betrachtet werden können. Dafür würde ich die Faustregel von Howard Johnson empfehlen und diesen Rechner verwenden (oder Ihren eigenen erstellen): http: // fullchargd.blogspot.com/2017/02/transmission-line-rules-of-thumb.html

In dieser Anwendung würde ich die Anstiegszeit auf 2,5 ns und das effektive Dielektrikum auf 3,2 (für Streifenleitung) schätzen. Eine Abweichung von 65-70 mm oder weniger würde gut ausreichen.

Eine weitere Sache, die Sie vielleicht in Betracht ziehen sollten, ist das Hinzufügen von ESD-Schutzvorrichtungen in der Nähe des Displayanschlusses, falls Sie befürchten, die MCU während der Montage oder des Displaytauschs zu beschädigen. Ich weiß, dass es viele Dioden sind und es könnte übertrieben sein, wenn Ihr Fließband den Standards entspricht, aber gewichten Sie den Schmerz, das Geld und die Energieverschwendung, um die MCU zu ersetzen :)

Danke für deine umfangreiche Antwort! Ja, Signale sind 3,3 V single-ended. Ein paar Fragen 1/ Könnten Sie etwas mehr erklären, wie man schlussfolgert, dass die Längenabweichung weniger als 65-70 mm betragen sollte? Ich dachte, diese Faustregel wäre, die Strecke als Übertragungsleitung zu betrachten. Unterhalb der Schwelle wird es als idealer Kondensator und darüber als Übertragungsleitung betrachtet. 2/ Empfehlen Sie Option 2 der Option 1 vor? 3/ In diesem Fall gibt es nur ein nicht abschirmendes Gehäuse um die Platine herum.
1/ Ha sorry, es war nicht wirklich klar. Ich untersuche die Ausbreitungsverzögerung, dh wie weit das Signal gereist ist, um die Phasenfehlanpassung zwischen den RGB-Signalen zu "quantifizieren". Wenn die Leiterbahn als eine konzentrierte Schaltung betrachtet werden kann, brauchen Sie sich nicht so sehr um die Signalintegrität und damit um die Längenanpassung zu kümmern. Bei einer verteilten Schaltung kommen alle Nebeneffekte (wie Reflexion, Klingeln usw.) ins Spiel. 2 / Ich würde Option 2 bis mit der L3-Masseebene bevorzugen. 3/ Autsch, ich würde empfehlen, die ersten Optionen zu besuchen, die ich erwähnt habe. Eine weitere Sache, haben Sie Zugriff auf die Steuerung der Laufwerksstärke auf Ihrer MCU?
1/ Die Leitungsimpedanz sollte auch keine Rolle spielen, wenn die Gesamtlänge unter der kritischen Länge liegt, oder? An der MCU ist die Antriebsstärkeregelung bereits auf Minimum eingestellt (und die Anzeige funktioniert einwandfrei).
Ja, die Leitungsimpedanz wäre in Ihrem Fall nicht kritisch, aber es ist immer eine gute Praxis, sie richtig einzustellen und sich daran zu gewöhnen, sie für jedes neue Design richtig einzustellen. Da Sie die Antriebsstärke steuern können, benötigen Sie den von mir erwähnten RC-Filter möglicherweise nicht. Hast du dir die Form des Signals angesehen? Erfüllt es die RGB-Anforderungen? Haben Sie genügend Spielraum (z. B. könnte es für diese Kombination aus Board und Display funktionieren, aber möglicherweise nicht mit einem anderen Setup)?
OK! Ich habe gerade im ursprünglichen Beitrag eine Messung der Signale hinzugefügt. Es erfüllt die Anforderungen (Frequenz, Setup- und Haltezeit ...). Ich weiß nicht, wie sehr ich ihnen vertrauen soll, da der Umfang wahrscheinlich sehr begrenzt ist. Die zusätzliche Kapazität des Oszilloskops scheint jedoch nicht dazu zu führen, dass die Signale die Anforderungen überschreiten ...
Das Signal, die Haltezeit und die Aufbauzeit sehen großartig aus, also ist es für einen ersten Durchgang vielversprechend. Welche Routing-Strategie haben Sie bei Ihrem ersten Board verwendet? Haben Sie dieses Board schon einmal auf EMV getestet?
Ich habe einen Screenshot der ersten Board-Revision hinzugefügt, es war eigentlich nah an Option 1 ... Ich wünschte, ich hätte dieses Board auf EMV testen können, aber es war bei dieser Revision nicht geplant. Ich wünschte, es gäbe eine billige Möglichkeit, es zu testen
Wurde bei Ihrer ersten Board-Revision L3 dort geerdet, wo die RGB-Signale sind? Leider gibt es keine andere Möglichkeit, auf EMV zu prüfen, als in einer EMV-Kammer. Sie könnten jedoch mit einem Spektrumanalysator und einer Nahfeldsonde die Oberwellen Ihrer Signale herausfinden und die Antriebsstärke ändern, um die Auswirkungen auf diese immer noch nicht billigen Geräte zu sehen / zu mieten!
Keine L3-Masse dort, nur Masse auf L2 und +3V3 auf L3. Ich denke, meine Hauptsorge ist, dass die zusätzlichen 3 cm auf den Signalleitungen, aber die Durchkontaktierungen zu weit von den Entkopplungskappen der MCU entfernt sind, was den Rückstrompfad ziemlich verlängern würde. Das mit den Tests klingt sehr interessant und macht viel Spaß. Ich bin nach unserer Diskussion auf diesem Link gelandet interferetechnology.com/… Es scheint Tests vorzuschlagen, die Ihrem Kommentar ähneln :)
Schützen Sie in Bezug auf ESD nur Pins, die zur MCU gehen, oder auch Pins, die zu einigen Leistungsreglern gehen? Danke :)
Richtig, solange die +3V3 auf L3 und GND auf L2 gut kapazitiv gekoppelt sind, könnten Sie die Masseebene auf L3 überspringen. Es könnte "Spaß" machen, mit Emissionen zu spielen, aber die Fehlersuche ist etwas Unverzeihliches für Ihre bereits gebaute Schaltung und einen frustrierenden Prozess, also wissen Sie es besser, bevor Sie die Platine zur Fab schicken. Sie könnten Ihre eigene Art von EMV-Setup machen, aber bei all diesen Umgebungsgeräuschen ist es manchmal schwer zu wissen, was was ist, ich habe in der Vergangenheit einen kleinen Faraday/EMC-Käfig verwendet, etwa so: micronix-jp.com/ deutsch/produkte/schild-box/…
Um ESD zu beseitigen, haben Sie zwei Möglichkeiten: Hinzufügen von Kapazität oder geeigneter Schutz. Am Ausgang eines Reglers haben Sie viel Kapazität, sodass er nicht beeinträchtigt wird. MCU-Ausgänge haben normalerweise keinen großen Schutz (Sie können das Datenblatt für das Schutzniveau überprüfen). Es ist möglich, mehrkanalige ESD-Schutzgeräte zu finden, die in ein kleines Gehäuse passen und einfach durchzuleiten sind, wie dieses potenziell: digikey.com/product-detail/en/on-semiconductor/MG2040MUTAG/…
Nur um nach dieser Diskussion ein Update zu geben, habe ich den ursprünglichen Beitrag mit den Ergebnissen der EMV-Tests der letzten Tage bearbeitet :) Vielen Dank
@Marmoz Oh wow super danke für das Update! Hatten Sie die Möglichkeit, Wellenformen mit den Ferritperlen aufzunehmen, um zu sehen, wie sie aussehen?
Routing-Strategie - 24-Bit-RGB-Anzeige auf einer 4-Lagen-Leiterplatte
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