Viele der Herausforderungen werden in der Backplane gelöst, die einen Großteil der Verbindungen zwischen verschiedenen Leiterplatten oder Karten in einem System verwaltet. Da bei gleichem Platzbedarf mehr elektrische Verbindungen untergebracht werden, scheinen Backplanes mit hoher Dichte zu Problemen mit der Signalintegrität (SI) zu führen, weshalb einige Embedded-Entwickler skeptisch sind, wie sie diesen Datenstrom am besten innerhalb ihrer Anwendungen übertragen können. Hier untersuchen wir, was die Signalintegrität auf einer High-Speed-Backplane mit hoher Dichte beeinflusst.
Überlegungen zur Signalintegritätsanalyse
Bei der Signalintegrität werden in der Regel dieselben Parameter der Backplane-Kanäle berücksichtigt — Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung, Betriebsspanne, Crosstalk usw. — unabhängig von den Bausteinen des Kanals, der Systemarchitektur oder den vorgesehenen Datenraten. Die akzeptablen Grenzwerte dieser Parameter variieren je nach Protokoll/Datenrate.
Das gemeinsame Design oder die Zusammenarbeit mit Ihrem Systemherstellungspartner in der Entwurfsphase ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung eines zuverlässigen eingebetteten Systems. Durch die parallele Entwicklung der Bausteine eines Systems können Probleme mit der Signalintegrität reduziert werden, was zu einer besseren Rückflussdämpfung und, was noch wichtiger ist, zu einer wesentlich besseren Einfügedämpfung führt.
Es ist wichtig, dass die Daten, die sowohl von Steckverbinderherstellern als auch von Leiterplattenherstellern bereitgestellt werden, zunächst auf ihre Richtigkeit überprüft und dann in die durchgeführte Analyse einfließen. Diese Daten sind beispielsweise entscheidend für die Optimierung und Analyse der Parameter für den Leiterplattenaufbau und die Leiterbahngeometrie. (Abbildung 1)
Mit steigender Datenrate ist die Art des Gewebes, das auf den Schichten verwendet wird, die Hochgeschwindigkeitssignale übertragen, von entscheidender Bedeutung. Mit dem Aufkommen von Protokollen, die einen geringeren Versatz innerhalb und zwischen den Paaren erfordern, kann ein durch Glasfasergewebe verursachter Versatz die Leistung einiger längerer Verbindungen in einem System beeinflussen oder beeinträchtigen. Der Kompromiss zwischen der Wahl der Spreizbindung und dem Harzgehalt eines bestimmten Laminatmaterials muss sorgfältig abgewogen werden. Die seit langem gehegte Annahme, dass das dielektrische Material, das die Leiterbahnen auf den Leiterplatten der Rückwandplatine oder der Tochterkarte umgibt, nahezu homogen und in allen Richtungen isotrop ist, ist nicht nur nachweislich falsch, sondern auch gefährlich, wenn es um Übertragungskanäle mit hohen Datenraten geht.
Überlegungen zur SI-Simulation
Die Simulation vor und nach dem Layout ist ein notwendiger Schritt, aber ohne die Verwendung validierter Modelle sind Ihre Simulationen nur so gut wie die Annahmen, die in diesen Modellen enthalten sind. Die Überprüfung von S-Parameter-Modellen auf Passivität und Kausalität sowie die Überprüfung der Gültigkeit der Eigenschaften eines bestimmten Laminatmaterials sind nur zwei Beispiele.
Man wäre zwar versucht, einfachere und oft billigere Lösungen für SI in Betracht zu ziehen, aber man muss sich bewusst sein, dass man — wie bei allem anderen im Leben — das bekommt, wofür man bezahlt. Und nicht alle SI-Simulations- und Messwerkzeuge sind gleich konzipiert. „Halb ausgegorene“ Lösungen machen es manchmal richtig (selbst eine kaputte Uhr stimmt zweimal am Tag), aber gewissenhafte Investitionen in bewährte Simulationstools, Testausrüstung, Kalibrierungs- und De-Embedding-Techniken tragen wesentlich dazu bei, eine gute Korrelation zwischen Simulationen und Messungen zu erreichen, was für einen erfolgreichen Ansatz im Bereich SI von entscheidender Bedeutung ist.
Um die Signalintegrität wirklich zu testen, ist es wichtig, über den Anwendungsbereich hinauszugehen und Worst-Case-Szenarien zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass Ihr System und Ihre Signale unter allen Umständen funktionieren. Wenn Sie Regeln entwickeln, um die Signalintegrität nur bis zu bestimmten künstlichen Grenzen der Anwendung zu testen, erhalten Sie kein genaues Bild von den tatsächlichen Einschränkungen des Systems. Im schlimmsten Fall muss eine „Marge“ berücksichtigt werden — diese „Marge“ ermöglicht Spitzen bei der Datenübertragung, höhere Systemlasten als normal und weniger optimale Designs anderer Komponenten im System (Plug-in-Module, Mezzanine-Karten, Netzteile usw.).
Um den Signalpfad korrekt zu modellieren, ist die Steckverbinderschnittstelle unbedingt ein wichtiger Aspekt bei der Leistung einer Backplane-Baugruppe. Die Signalbilanz wird durch die Steckkarten beeinflusst, die zur Rückwandplatine passen, die Rückwandplatine selbst und die Anschlüsse, die als Schnittstellen zwischen den Steckkarten und der Rückwandplatine verwendet werden. Darüber hinaus beeinflussen nicht nur die elektromechanischen Eigenschaften dieser Steckverbinderschnittstellen die Signalbilanz, sondern auch die für diese Steckverbinder verwendeten Abmessungen, sowohl auf den Steckkarten als auch auf der Backplane (Dinge wie die Größe des Pads und des Anti-Pads, die Leiterbahngeometrie in dem Bereich, in dem sie mit den Footprints verbunden sind usw.). (Abbildung 2)
Sicherstellung einer zuverlässigen Kommunikation
Letzten Endes muss eine Backplane über die bloße Erfüllung des ihr zugewiesenen Signalbudgets hinausgehen, und sei es innerhalb der geringsten Marge. Selbst bei der Konstruktion einzelner Teilkomponenten muss eine ganzheitliche Methodik zugrunde gelegt werden. Ein schlechter (oder geringfügig guter) Start von einem Plug-in-Modul in eine Backplane wird nur noch schlimmer werden — da die Backplane ein passives Element eines Ende-zu-Ende-Kanals ist, kann sie die Signalqualität nicht verbessern, da sie zu Verlusten führt (auch verschiedene Arten von Verlusten). In ähnlicher Weise kann ein Backplane-Design mit schlechten Rändern tatsächlich zu einem Systemausfall führen. Stellen Sie sicher, dass Sie alle für Ihr System relevanten Signalintegritätsparameter simuliert, überprüft und ordnungsgemäß gemessen (und nachbearbeitet) haben, um eine zuverlässige Datenübertragung im gesamten System zu gewährleisten.
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