PCB技术之背板设计入门

PCB 设计如果需要将多个板连接到一个较大的系统中并在它们之间提供互连，则可能会使用背板来排列这些板并进行级联。背板是高级板，它借鉴了高速设计，机械设计，高压 / 大电流设计甚至 RF 设计中的某些元素。这些板通常用于关键任务防御系统，电信系统和数据中心。他们采用自己的一套标准，这些标准超出了 IPC 的可靠性要求。
 
尽管背板遵循许多其他 PCB 所不具备的特定标准，但许多 PCB 设计人员都熟悉布局和布线所涉及的概念。起初，大量的连接器和网络以及典型背板上的狭窄空间似乎很困难。尽管如此，一些简单的策略仍可以帮助您保持组织结构并完成背板设计，同时确保高可靠性。我的希望是，您将学习一些在布线和布局方面实现下一个背板设计的策略，以平衡可靠性和信号完整性。没有更多的内容，让我们跳入 PCB 设计的这一丰富领域。
 
背板设计入门

背板设计，布局和布线入门需要采取多种角度。这些设计可能很困难，因为您可能会发现自己在空间和层数有限的情况下管理大型板上的数千个连接。此外，背板可能实际上参与了向子卡的供电，并且每个子卡可能正在通过各种高速设备拉动多个安培电流。这意味着您的背板可能需要支持约 100 A 的电流。
 
由于背板的主要功能是在大型系统中的多个板之间提供连接，因此一切都围绕着您将要使用的连接器展开，而这些连接器正是您设计的起点。以下是背板设计中涉及的一些基本任务：
 
引脚排列：第一步是确定连接器上的引脚排列，以支持所需的路由拓扑。我将在下面进一步介绍这一点。
 
机械要求：除了正确放置子板连接器之外，导销还用于确保正确的配合和结构完整性。该列表底部的图像显示了与背板连接器一起使用的典型导销。
 
材料选择：对于高速背板，这是设计过程中的关键点。由于背板可能非常大，因此任何需要在整个平面上传播的信号都可能会遭受重大损失。需要具有紧密玻璃编织的低损耗层压板，以最大程度地减少长互连上的插入损耗。
 
电源和接地策略：对于需要为大量子板提供高功率的背板，您将需要有助于保持低温的电源和接地策略。不同平面层上的接地 / 电源平面布置还应为隔离在电路板上的高速信号提供隔离。
 
层数：背板所需的层数将取决于平面层数以及所需的信号层数。背板最多可以有 24 层，厚度为几毫米，可以满足所有设计要求。
 
上面的要点与任何其他高速设计中需要考虑的要点相同。但是，一旦您在背板上工作，情况就会有所不同，因为连接器的引脚排列会限制布线。这是背板设计的重要组成部分，应仔细计划。
 
全部涉及连接器，引脚分配和布线

初始设计阶段的大部分重点将放在背板上的连接器上。选择连接器（包括用于背板连接器）既是一门艺术，也是一门科学，这些连接器将成为信号完整性的主要决定因素。为了确保信号在连接器跟踪接口处不会过度衰减，仿真非常重要。
 
连接器中的引脚排列也很重要，因为它有助于简化每一层的布线。特别是，您的引脚排列应实现两个目标：
它的设计应防止在将给定层上的信号路由到背板总线上的所有连接器时彼此交叉。如果做得正确，您可能可以消除一些信号层。
 
理想情况下，当到达每个连接器上的插针时，布线应该在整个背板（大部分水平）上流畅。
 
最好以逐行的方式完成，类似于下面显示的差分对路由。请注意，每个连接器上的引脚如何在每一列中错开，从而允许差分对中的走线进入连接器引脚的行之间。如果所有引脚都在同一列中，那么我需要 2 层而不是 1 来进行如下所示的布线。

考虑到所有这些设计要求，我发现很难在我的第一个背板中实现所有这些平衡，而且我们甚至没有进行初始组件布置。您在组件布置方面不会有很大的自由度，但是只要将引脚排列在整个连接器中并保持一致，就可以在通过底板路由信号时使事情井井有条。帮助您成功的其他一些技巧包括：
 
通过高速信号的跳变最小化。每个通孔都会增加互连的插入损耗，并且需要尽可能减少插入损耗。
 
通过过渡进行高速反钻。 反向钻孔会增加成本，但会最大程度地减少长输电线上的短截线不连续性。
 
不要害怕倒地。使用接地倒流有助于在不同的高速走线组之间进行隔离，确保一致的阻抗曲线，并为高回流电流提供充足的导体。
 
使所有未使用的信号层成为平面层。如果您要通过背板供电，请不要担心将额外的电源板丢入叠层中。在多个电源层之间分配电流有助于保持 PDN 冷却。
 
背板设计不适合胆小的人，因为它需要多个专业才能成功。但是，如果您拥有合适的设计师团队和一整套设计工具，则可以在一个平台上完成设计过程的大多数方面。您将能够完成背板设计，并通过一个程序为生产做好准备。