PCBInside

고속 커넥터시스템 디자인

커넥터 디자인

디자인 요소

  디자인 요소가 결과를 결정한다.
  전기적 요구 사항이 다음을 만족하는가?

신호 대 그라운드 비

  신호 대 그라운드 비는 크로스톡, 임피던스 제어, density, mode conversion 등의 주요 키 이다.

SI 저하 원인(source)

• 표면 실장 패드, 프레스핏 비아, 매이팅 인터페이스, 에지 카드 컨택 패드 등 인터페이스
• 리드 프레임 지오메티리 변환
• 메카니컬 특징
• PCB 물질, 스텁, 표면 roughness, weave, routing

전송선과 전송선 모드

Simple 전송선

• 도체 2개, 전송선 모드 1개

Complex 전송선 구조

• 도체가 다중 신호 또는 그라운드로 할당된다.

• 예: 도체 3개
  2개의 전통적 전성선 모드
  differential mode(의도 된 모드)와 common mode(의도 되지 않은 모드)

• 더 많은 도체는 일반적으로 원치않은 더 많은 모드를 만든다.
  2 그라운드(G1, G2)는 전송선 모드를 지원할 수 있다.
  가능한 한 간단한 전송선 구조를 유지하도록 노력한다.

해야할 것

타겟 정의:

• L과 C 디자인(slow speed serial links) → impedance와 prop dleay 디자인(faster links)

• 요즘 links는 시스템 혹은 채널 디자인 접근법이 요구된다. 이런 타입의 접근법은 링크 있는 부품(요소)의 성능을 기술하기 위해 s-parameter 모델을 사용한다. 궁극적으로 이것은 링크 자체를 eye opening과 BER(bit-error-rate)을 보면서 분석하는데 사용된다.

• 비아, 전송선, 런치 패드 등 모두가 커넥터와 상호작용하기 때문에, 이런 아이템은 같은 데이터 레이트에서 살펴 보아져야 한다. 이것들은 모두 커넥터 디자인과 상호작용해서 시스템 성능에 인터랙티브한 영향을 준다.

가장 중요한 것(항상 trade-off 관계에 있다):

• 임피던스 제어/크로스톡/손실 등은 대역폭,I/L, R/L, noise와 직접적인 관련이 있다.

• PCB 비아, routability, 전송선 길이 같은 외부 요소는 고속에서 커넥터 성능에 중요한 역할을 한다. 그래서 디자인 분석에서 배제될 수 없다.

간단히 말해, 모든 것이 중요하다.

지터와 지터 소스

• 이벤트의 예상 시간과 실제 사이의 차이는 시간 축에서 eye를 닫는다.

• 고속 어플리케이션은 long highly dispersive channel로 구성될 수 있다.
  - I/O’s : Connectors, Cabbles, PCB’s at both ends
  - Backplane: Connectors/vias, long PCB runs, 직각, 메저닌 구조

• 지터는 “dispersive” 채널 특성의 결과이다.
  - dispersive channel: 주파수 의존적 행동을 하는 채널
  - 주워진 s-parameter가 만들 dispersion의 양을 이해 하려면, 신호의 context와 그것과 관련된 대역폭과 인코딩(8B10B, 64-66)이 보여져야 한다.
  
  

기존 기술 차용

• 새로운 커넥터를 디자인 할 때, 기존의 디자인을 차용해서 디자인 골을 만족할 수 있다. 이것은 툴링/제조 비용을 절감해 준다.

• 예: VHDM 백플레인 제품은 현재 differential과 single ended system 어플리케이션에 모두 사용되고 있다. 더 빠른 differential 제품에 대한 시장 요구에 답하기 위해서, 이 기본 디자인을 변경해서 최대 differential 성능을 낸다.

새로운 기술 창조

• 때로는 기존 기술이 한계까지 가 있는 경우가 있다. 디자인 요구를 채우기 위해서 “clean paper” 디자인 접근이 종종 필요하다.

• 예: 시장은 매우 빠르고, 잘 균형맞고, 크로스톡이 적은 differential 커넥터를 원한다. 시장 요구에 따라서 고속 성능과 줄어든 노이즈 등을 갖도록 plated plastic을 활용한 새로운 제품이 개발되었다. 

고속 커넥터시스템 디자인

테스터 픽스쳐 디자인

디자인 검증:

• 디자인이 일단 만들어지면, 테스트 픽스쳐가 디자인 되고 만들어져 커넥터 성능을 검증한다. 많은 종류의 픽스쳐가 있지만, 우리 논할 것은 인터커넥트를 테스트하기 위해 디자인 되자인된 것이다. 시스템 레벨 테스팅은 다른 종류의 픽스쳐에서 실행될 필요가 있다.
• 테스트 보드가 데이터 정확도의 키 이기 때문에, 사용될 보드 물질의 전기적 성능을 이해하는 것은 중요하다. 모든 물질이 고속 측정에 적합한 것은 아니다.

PCB 물질:

• 주파수 vs. 손실
  - 1GHz 이하 대역폭
  copper 손실이 주요하다.
  Skin effect 손실은 주파수의 제곱근에 비례한다.
  - 1GHz 이상 대역폭
  유전 손실이 copper 손실을 압도한다.
  매우 높은 주파수에서 전류 crowding은 이떤 지오메트리에 영향을 줄 수 있다.
• 고주파에서 유전 물질의 성능은 큰 영향을 준다.

FR406 vs. Nelco 13SI

• 벤더와 규정 방법에 따라 표준 FR4 손실 탄젠트는 0.035에서 0.012의 범위를 갖는다.
  이것은 매우 큰 범위이다.
  규정은 종종 보증되지 않는다.
• Nelco 13SI는
  보증된 속성을 제공한다.
  손실 탄젠트가 0.009이다.
  40% 정도 더 비싸다

12인치 스트립라인에서 Insertion Loss 대 물질

R406 vs. Nelco 13SI 결론

• 2GHz 이하에서 손실 차이가 최소이다(< -0.083 dB/in)
• 2.5와 3.125 Gbps 데이터 레이트에서 최소 성능 향상
• 5와 10Gbps 데이터 레이트에서 성능 향상(>0.166 dB/in)을 볼 수 있다. 

최종 테스트 픽스쳐:

최종 픽스쳐는 6층 buried microstrip 디자인을 사용해서 만들어졌다. 테스트 대역폭을 확장하기 위해서 소유중인 SMA 런치가 사용되었다. 게다가 픽스쳐에 캘리브레이션 트레이스를 포함해서 픽스쳐 손실을 정의하고 전체 측정에 기여를한다.

디자인의 일부로서 모델링

모델링은 결정적이다:

• 디자인의 복잡성 때문에 모델링은 디자인 사이클에서 결정적이다.

• 많은 종류의 모델링 소프트웨어가 오늘날 존재하고 작게는 $5,000부터 $80,000에 구입할 수 있다.

• 고속 디자인을 위해, 지금 말한 것 같은 대한 full structure modeler는 3D로 맥스웰 방정식을 푼다.

• Ansoft HFSS와 CST Microwave 같은 전형적인 3D 모델 패키지는 오늘날의 어려운 고속 디자인을 다룰 수 있는 2개의 소프트웨이이다.

• 모델링에 관한 하나의 key fact: 모델은 그것이 어떻게 설정되었느냐에 따라서 바를 수도 혹은 바르지 않을 수도 있다.

• 기본 엔지니어링 원칙을 이해하고 적용하는 것을 대체할 수 있는 것은 없다.

디자인이 끝나고 데이터가 수집된 후에, 최종 제품이 디자인 골에 얼마나 가까운지 보기 위해 사후 검사가 수행된다.

출처: High-Speed System Design. Published by molex