Расчет волнового сопротивления на печатной плате для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite

В.С. Кухарук, В.А. Ухин

В статье рассматривается пример расчета первичных и вторичных параметров дифференциальной пары высокоскоростного интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite, разработанной компанией ЭРЕМЕКС.

При проектировании высокоскоростных интерфейсов на печатной плате важно рассчитывать параметры линий передачи с высокой точностью. Одним из таких интерфейсов является USB 3.1, у которого скорость передачи данных достигает 10 Гбит/с. На таких скоростях несогласованность импеданса может критически повлиять на целостность сигнала, что приведет к некорректной работе всего устройства.

В статье подробно рассматривается процесс вычисления параметров линии передачи с контролируемым дифференциальным волновым сопротивлением для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite. Расчет ослабления сигнала и перекрестных помех, применительно к USB 3.1, будет рассмотрен в следующих статьях.

Но вначале немного о самом интерфейсе

Интерфейс USB 3.1 — это развитие универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus), предложенное как обновление к USB 3.0. Он представляет собой второе поколение спецификации USB 3.x и был представлен USB-IF (USB Implementers Forum) в 2013 году. Давайте рассмотрим его:

Ниже представлены основные особенности интерфейса USB 3.1.

Сравнение USB 3.1 c предыдущими версиями (Таблица 1).

1. Увеличенная пропускная способность

• USB 3.1 Gen 2 (официальное название) удваивает пропускную способность по сравнению с USB 3.0 (5 Гбит/с → 10 Гбит/с).

• Это стало возможным благодаря улучшенной кодировке данных:
   — USB 3.0 использует 8b/10b кодирование (20% накладных расходов)
   — USB 3.1 перешёл на 128b/132b кодирование (всего ≈3% накладных расходов).

2. Обратная совместимость

• USB 3.1 работает с предыдущими поколениями (USB 3.0 и USB 2.0), но при этом автоматически снижает скорость до поддерживаемой уровнем интерфейса устройства.

3. Поддержка Power Delivery (PD)

• При использовании с USB Type-C возможна передача энергии до 100 Вт (20 В при 5 А) — достаточной для зарядки ноутбуков, мониторов и даже некоторых рабочих станций.

4. Новый коннектор — USB Type-C (не обязателен, но часто используется)

• Поддерживает реверсивное подключение (неважно, какой стороной вставлен разъём).

• Может объединять питание, данные, видео (через альтернативные режимы, например DisplayPort или HDMI).

Если говорить о практической ценности, то можно выделить несколько основных моментов: 

• Быстрая передача больших объемов данных: идеально для внешних SSD и 4K-видео.

• Возможность использования одного кабеля для питания, передачи данных и вывода видео (через USB-C).

• Улучшенное качество сигналов и защита от помех.

С точки зрения топологии

Интерфейс USB 3.1 использует две дифференциальные пары (TX и RX), по которым передаются данные со скоростью до 10 Гбит/с. Основные требования и рекомендации на трассировку и компоновку данного интерфейса изложены ниже [1, 2, 3]:

• Импеданс дифференциальной пары. Волновое сопротивление должно составлять 90 Ом (85 Ом). Допускается отклонение в пределах 10%.

• Трассировка и количество переходных отверстий. Не допускается в трассировке наличие прямых углов. Количество переходных отверстий минимальное: на одну линию не более двух.

• Перекрестные помехи. Для минимизации помех расстояние от любых сигналов до проводника дифф. пары должно составлять не менее 5W, где W — ширина проводника дифф. пары. В случае плотной трассировки и невозможности обеспечения указанного выше значения, применять моделирование. Минимизировать расстояние между сигнальным и опорным слоем. Избегать размещения трасс под источниками помех (кристаллы, DC-DC, PLL).

• Длина проводников в паре. Разница в длине проводников не должна превышать 0,127 мм. Обеспечить равномерную ширину и зазор по всей длине дифференциальной пары.

• Возвратный путь сигнала. Следует избегать разрывов в опорном слое под дифференциальной парой.

• Размещение конденсаторов. Конденсаторы на сигнальных линиях следует располагать как можно ближе к разъему USB.

• Устанавливать TVS-диоды или ESD-защиту ближе к  USB-разъему.

• Ферриты или индуктивности. Данные типы компонентов не должны стоять в сигнальных линиях Super Speed (TX/RX).

Как правило, для данного интерфейса USB 3.1 на печатной плате реализуются дифференциальные микрополосковые или дифференциальные полосковые линии передачи. Возможны также варианты и с копланарными структурами.

В данной статье рассматривается микрополосковая дифференциальная линия передачи.

Параметры линий передачи, в том числе и геометрические, во многом зависят от применяемых материалов в структуре печатной платы. Выбор материала зависит от многих факторов, а именно: типа платы, условий эксплуатации, применяемых компонентов, способа монтажа, максимальной частоты сигналов, значения волнового сопротивления, типов переходных отверстий, максимального тока в устройстве и допустимой толщины платы и т.д.

Для высокоскоростных интерфейсов следует использовать специальные материалы из категории High Speed. Как правило, они имеет низкую диэлектрическую проницаемость, малый тангенс угла диэлектрических потерь и стабильность свойств в широком диапазоне частот. Такие материалы предлагает компания ООО “РЕЗОНИТ”. 

Дифференциальная пара размещается на внешнем слое. Пусть между сигнальным слоем и опорным располагается препрег. Такой вариант структуры многослойной печатной платы относится к типовым. Параметры препрега взяты с сайта компании ООО “РЕЗОНИТ” и представлены на рисунке 1.

Данные препреги выполнены на основе материала TU-872 компании TUC [4].

В разрабатываемой конструкции применим два препрега 2×0,076 с диэлектрической проницаемостью Er (Dk)=3,5. Данная комбинация проста в изготовлении и довольно часто используется на практике. При необходимости, в зависимости от решаемой задачи и возможностей производства количество и тип препрегов могут отличаться от представленного выше.

В САПР SimPCB Lite задаются следующие входные параметры, приведенные в таблице 2.

Таблица 2. Список входных параметров, которые необходимо задать в САПР SimPCB Lite

Также необходимо изменить режим расчета на вариант Сохранить новый расчет. В этом случае после нажатия на кнопку Рассчитать расчет будет сохраняться в панеле Проекты.

При данных, указанных в таблице 1, дифференциальное волновое сопротивление составит Zdiff = 108,11 Ом. Кроме волнового сопротивления программа рассчитывает задержку, емкость, индуктивность, скорость распространения сигнала и эффективную диэлектрическую проницаемость (рис. 2).

Полученный результат не удовлетворяет требованиям данного интерфейса, так как импеданс значительно превышает 90 Ом.

Параметры материалов, геометрические и электрофизические, являются константами в нашем примере, поэтому влиять на волновое сопротивление возможно только через S1 и W1, W2. Изменим S1, а именно, пусть зазор между проводниками составляет 0,15 мм, тогда  Zdiff = 101, 22 Ом. Значение сопротивления стало ближе к необходимому, но все же не удовлетворяет требованию (Рис. 3).

Далее вычислим в SimPCB Lite ширину проводника дифференциальной пары под волновое сопротивление 90 Ом. Для этого следует переключить радиокнопку на параметр W1. В поле Zdiff ввести 90 Ом и нажать кнопку Рассчитать. В итоге ширина проводника получается 0,23 мм.

Таким образом, при ширине проводника 0,23 мм и зазоре между проводниками 0,15 мм волновое сопротивление для данной конструкции составит Zdiff = 89,97 Ом. Если отсутствуют какие-либо дополнительные ограничения, то требования по импедансу можно считать выполненными (90 Ом ±10%) (рис. 4).

Однако, для быстродействующих интерфейсов рекомендуется дополнительно проводить частотный анализ, так как результаты могут отличаться. С помощью него можно оценить более точно зависимость волнового сопротивления от частоты и вычислить множество дополнительных величин, влияющих на качество сигнала. САПР SimPCB Lite позволяет провести такой анализ. Для его выполнения в программе следует изменить тип расчета на Частотный анализ и ввести данные в Дополнительные параметры. В рассмотренном примере иметь следующие значения (рис. 5).

• Электропроводность (TC) меди 58E+06.

• Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 0,009 зависит от материала TU-872 на максимальной частоте = 0,009.

• Fc (частота) меняется от 100 МГц до 11 ГГц с шагом 100 МГц. 

Результат расчета представлен на рисунке 6.

Видно, что волновое сопротивление уменьшается с увеличением частоты. Так для 100 МГц оно составляет 92,2466 Ом, а для 10 ГГц примерно 90 Ом. Такое поведение обусловлено учетом двух дополнительных первичных параметров (активное сопротивление и проводимость диэлектрика), а также влиянием частоты на значение индуктивности.  Полученный интервал дифференциального волнового сопротивления линий передачи (90 Ом — 92,24 Ом) в широком диапазоне частот (100 МГц — 10 ГГц) также полностью удовлетворяет требованиям к высокоскоростному интерфейсу USB 3.1.

При проектировании линий передачи для определения их геометрических параметров и электрофизических свойств под конкретное значение волнового сопротивления в значительном количестве случаев достаточно использовать только расчет без учета потерь. Для получения более детальной информации о линии необходимо выполнять частотный анализ. С помощью него специалист получит значения всех четырех первичных параметров (емкость, индуктивность, активное сопротивление, проводимость диэлектрика) и точное значение импеданса на конкретной частоте.

Список литературы

1. Universal Serial Bus 3.1 Specification, 2013  

2. High-Speed Interface Layout Guidelines. Texas Instruments. 2023

3. AN222944.  EZ-USB HX3PD Hardware Design Guidelines and Checklist. Infineon Technologies. 

4. Сайт компании Резонит. Материалы для производства печатных плат. URL https://www.rezonit.ru/directory/v-pomoshch-konstruktoru/materialy-dlya-proizvodstva-pechatnykh-plat/materialy-high-speed/#TU872_SLK/. (Дата обращения 15.05.2025 ).

5. Сайт компании TUC. URL https://www.tuc.com.tw/en-us/products-detail/id/2   (Дата обращения 15.05.2025 ).