Explicación detallada de los problemas de integridad de la señal y el cableado de PCB

Cableado de PCB para señales de alta velocidad

Hoy en día, cada vez que abra la Guía de diseño de PCB de la fábrica de SoC original, mencionará la cuestión del ángulo de esquina del enrutamiento de señales de alta velocidad.Se dirá que las señales de alta velocidad no deben encaminarse en ángulo recto, sino en un ángulo de 45 grados, y se dirá que utilizar un arco circular es mejor que una esquina de 45 grados.

¿Es este el caso?¿Cómo se debe configurar el ángulo del cableado de la PCB? ¿Es mejor seguir un arco circular o de 45 grados?¿Es factible el cableado en ángulo recto de 90 grados?

Todo el mundo empezó a tener problemas con el ángulo de las esquinas del cableado de PCB, algo que ha sucedido en la última década.A principios de la década de 1990, Intel, el actor dominante en la industria de las PC, lideró la personalización de la tecnología de bus PCI.Parece que a partir de la interfaz PCI, hemos entrado en una era de diseño de sistemas de 'alta velocidad'.

La tecnología de diseño electrónico y fabricación de chips avanza según la Ley de Moore.A medida que el proceso de fabricación de circuitos integrados continúa mejorando, la velocidad de conmutación de los transistores de los circuitos integrados también se acelera y la frecuencia de reloj de varios buses también se acelera.La cuestión de la integridad de la señal también atrae constantemente la investigación y la atención de todos.

En los primeros días, las bacterias de tendido de cables de PCB eran relativamente simples, simplemente tirando y alisando el circuito, limpio y hermoso, sin preocuparse por varios problemas de integridad de la señal.Por ejemplo, la placa de circuito del multímetro HP clásico HP3456A que se muestra en la figura siguiente tiene una gran cantidad de cableado en ángulo de 90°, ángulos casi intencionalmente rectos, y la gran mayoría de las áreas no están cubiertas con cobre.

La esquina superior derecha de la placa PCB no solo se extiende en ángulo recto, sino que también reduce el ancho de la línea después de girar, lo que puede causar problemas de reflexión de la señal y afectar la integridad de la señal.

Este artículo analiza la cuestión del enrutamiento de ángulos de esquina para señales de alta frecuencia/alta velocidad.Echamos un vistazo a las ventajas y desventajas de varios ángulos de esquina de enrutamiento, desde ángulos agudos hasta ángulos rectos, ángulos obtusos, arcos y hasta cualquier ángulo.

¿Por qué no se pueden cablear placas de circuito impreso con esquinas afiladas?

La respuesta a si la PCB se puede cablear con ángulos agudos es negativa.Independientemente de si el uso de cableado en ángulo agudo tendrá un impacto negativo en las líneas de transmisión de señales de alta velocidad, desde la perspectiva de PCB DFM únicamente, es necesario evitar la aparición de cableado en ángulo agudo.Esto se debe a que en la intersección de los cables de PCB para formar ángulos agudos, puede causar un problema llamado trampas de ácido.En el proceso de fabricación de PCB, durante el proceso de grabado del circuito de PCB, puede producirse una corrosión excesiva del circuito de PCB en las 'trampas de ácido', lo que lleva al problema de la rotura virtual del circuito de PCB.

Aunque podemos usar CAM 350 para DFF Audit para detectar automáticamente problemas potenciales con 'trampas de ácido', evitando cuellos de botella en el procesamiento durante la fabricación de PCB.Si el personal de proceso de la fábrica de PCB detecta la presencia de trampas de ácido, simplemente insertarán un trozo de cobre en este espacio.

Gran parte del personal de ingeniería de las fábricas de PCB no comprende realmente el diseño.Solo reparan trampas de ácido desde la perspectiva del procesamiento de ingeniería de PCB.Sin embargo, no está claro si esta reparación puede provocar más problemas de integridad de la señal.Por lo tanto, al realizar el diseño, debemos intentar evitar en la medida de lo posible las trampas de ácido de la fuente.

¿Cómo evitar esquinas afiladas durante el trefilado, que pueden causar problemas de DFM en la trampa de ácido?El software de diseño EDA moderno (como Cadence Allegro, Altium Designer, etc.) viene con opciones integrales de enrutamiento de diseño.Cuando utilizamos estas opciones auxiliares de manera flexible en el enrutamiento del diseño, podemos evitar en gran medida la aparición del fenómeno de 'trampa de ácido' durante el diseño.El ángulo de salida de la almohadilla de soldadura se establece para evitar que el ángulo entre el cable y la almohadilla de soldadura forme ángulos agudos, como se muestra en el siguiente ejemplo.

Al utilizar la función de entrada de almohadilla mejorada de Cadence Allegro, podemos minimizar la formación de ángulos entre los cables y las almohadillas de soldadura durante el cableado, evitando así el problema DFM de las 'trampas de ácido'.

Evite cruzar dos cables para formar ángulos agudos.

Cambiar la opción 'alternar' al aplicar de manera flexible el cableado Cadence Allegro puede evitar ángulos y ángulos agudos al extraer ramas de cables en forma de T y evitar causar problemas de DFM de 'trampas de ácido'.

¿Se puede cablear el diseño de PCB a 90 °？

Las líneas de transmisión de señales de alta frecuencia y alta velocidad deben evitar correr en esquinas de 90°, lo cual es un requisito importante en varias guías de diseño de PCB.Las líneas de transmisión de señales de alta frecuencia y alta velocidad deben mantener una impedancia característica constante, y el uso de un recorrido de esquina de 90° cambiará el ancho de la línea en la esquina de la línea de transmisión.El ancho de línea en la esquina de 90° es aproximadamente 1,414 veces el ancho de línea normal.Debido al cambio en el ancho de la línea, provocará un reflejo de la señal.Al mismo tiempo, la capacitancia parásita adicional en la esquina también tendrá un efecto de retardo en la transmisión de la señal.

Por supuesto, cuando la señal se propaga a lo largo de una línea de interconexión uniforme, no habrá reflexión ni distorsión de la señal transmitida.Si hay una esquina de 90° en la línea de interconexión uniforme, provocará un cambio en el ancho de la línea de transmisión de la PCB en la esquina.Según cálculos relevantes de la teoría electromagnética, esto definitivamente tendrá un impacto en la reflexión de la señal.

El impacto del enrutamiento en ángulo recto en las señales se refleja principalmente en tres aspectos:

La esquina puede equivaler a una carga capacitiva en la línea de transmisión, ralentizando el tiempo de subida.

El ancho de la línea en la esquina de 90° es aproximadamente 1,414 veces el ancho de la línea normal, lo que provoca una discontinuidad de la impedancia y provoca una reflexión de la señal.

EMI generada por una punta en ángulo recto, donde la punta es propensa a emitir o recibir ondas electromagnéticas, lo que resulta en EMI

La capacitancia parásita causada por el ángulo recto de la línea de transmisión se puede calcular usando la siguiente fórmula empírica:

C=61W (Er) 1/2/ZO

En la ecuación anterior, C se refiere a la capacitancia equivalente en la esquina (en pF), W se refiere al ancho de la línea (en pulgadas), Er se refiere a la constante dieléctrica del medio y ZO es la impedancia característica del línea de transmisión.

Para señales digitales de alta velocidad, una esquina de 90° puede tener un cierto impacto en la línea de transmisión de señales de alta velocidad.Para nuestros PCB actuales de alta densidad y alta velocidad, el ancho general del cableado es de 4 a 5 mil y la capacidad eléctrica de una esquina de 90 ° es de aproximadamente 10 fF.Después del cálculo, el retraso acumulado causado por esta capacitancia es de aproximadamente 0,25 ps.Por lo tanto, una esquina de 90° en un cable de 5 mil de ancho no tendrá un impacto significativo en la señal digital de alta velocidad actual (tiempo de subida de 100 psc).

Para las líneas de transmisión de señales de alta frecuencia, para evitar daños a la señal causados ​​por el efecto piel, generalmente se usan líneas de transmisión de señales más anchas, como una impedancia de 50 Ω y un ancho de línea de 100 mil.El ancho de línea en la esquina de 90° es de aproximadamente 141 mils y el retraso de la señal causado por la capacitancia parásita es de aproximadamente 25 ps.En este momento, la esquina de 90° provocará un impacto muy grave.

Al mismo tiempo, las líneas de transmisión de microondas siempre esperan minimizar la pérdida de señal.La discontinuidad de la impedancia en la esquina de 90° y la capacitancia parásita en el exterior pueden causar errores de fase y amplitud en señales de alta frecuencia, desajustes de entrada y salida y posible acoplamiento parásito, lo que lleva al deterioro del rendimiento del circuito y afecta las características de transmisión de las señales del circuito PCB.

Con respecto al enrutamiento de la señal de 90 °, la propia opinión de Lao Wu es tratar de evitar el enrutamiento de 90 ° tanto como sea posible.

tangente oblicua de 45 grados

Además de señales RF y otras señales con requisitos especiales, el cableado de nuestra PCB debe tenderse preferentemente a 45°.Cabe señalar que cuando se ejecuta en un ángulo de 45 ° con igual longitud, la longitud del cableado en la esquina debe ser al menos 1,5 veces el ancho de la línea, y la distancia entre los devanados de líneas de igual longitud debe ser al menos 4 veces el ancho de la línea.Como las líneas de señal de alta velocidad siempre se transmiten a lo largo de la ruta de impedancia, si el espacio entre los devanados de líneas de igual longitud es demasiado cercano, debido a la capacitancia parásita entre las líneas, las señales de alta velocidad pueden tomar atajos, lo que resulta en una longitud inexacta.Las reglas de liquidación del software EDA moderno pueden establecer fácilmente reglas de liquidación relevantes.

Enrutamiento de arco con arco

Si las especificaciones técnicas no exigen explícitamente el uso de líneas curvas o líneas de transmisión de microondas de RF, personalmente creo que no es necesario usar líneas curvas debido al diseño de los PCB de alta velocidad y alta densidad, una gran cantidad de curvas. Las líneas son muy difíciles de reparar en la etapa posterior y una gran cantidad de líneas curvas también requieren mucho tiempo.Para señales diferenciales de alta velocidad como USB3.1 o HDMI2.0, creo que todavía se pueden utilizar arcos circulares.

Por supuesto, para las líneas de transmisión de señales de microondas de RF, todavía se prefiere usar arcos circulares, o incluso usar líneas de 'corte oblicuo externo de 45 °' para el enrutamiento.

Conclusión

Con el desarrollo de la tecnología de comunicación inalámbrica 4G/5G y la mejora continua de los productos electrónicos, la velocidad de transmisión de la interfaz de datos de PCB actual ha alcanzado 10 Gbps o 25 Gbps o más, y la velocidad de transmisión de la señal avanza constantemente hacia la dirección de alta velocidad.Con el desarrollo de la transmisión de señales de alta velocidad y alta frecuencia, se plantean mayores requisitos para el control de impedancia de PCB y la integridad de la señal.

Para las señales digitales transmitidas en placas PCB, muchos materiales dieléctricos utilizados en la industria electrónica, incluido el FR4, se han considerado uniformes durante la transmisión a baja velocidad y baja frecuencia.

Pero cuando la velocidad de la señal electrónica en el bus del sistema alcanza el nivel de Gbps, esta suposición de uniformidad ya no se cumple.En este momento, no se puede ignorar la variación local en la constante dieléctrica relativa de la capa dieléctrica causada por los espacios entre los haces de fibras de vidrio entrelazados en el sustrato de resina epoxi.La perturbación local de la constante dieléctrica hará que el retardo y la impedancia característica de la línea estén correlacionados espacialmente, afectando así la transmisión de señales de alta velocidad.

Los datos de prueba basados ​​en el sustrato de prueba FR4 muestran que debido a la diferencia de posición relativa entre las líneas de microcinta y los haces de fibra de vidrio, la constante dieléctrica efectiva medida de la línea de transmisión fluctúa mucho, con una diferencia de hasta Δ ε r=0,4.Aunque estas perturbaciones espaciales parecen pequeñas, afectarán seriamente la línea de transmisión diferencial con una velocidad de datos de 5 a 10 Gbps.

En algunos proyectos de diseño de alta velocidad, para abordar el impacto del efecto de la fibra de vidrio en las señales de alta velocidad, podemos utilizar tecnología de enrutamiento en zigzag para mitigar el impacto del efecto de la fibra de vidrio.

Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015 y versiones posteriores son compatibles con el modo de cableado en zigzag.

En el menú Cadence Allegro PCB Editor 16.6-2015, seleccione 'Ruta ->Prototipo no compatible ->Efecto de tejido de fibra' para abrir la función de enrutamiento en zig zag.

Hace veinte años, nuestro diseño de PCB no tenía que preocuparse por seguir líneas curvas o el impacto de las fibras de vidrio en las señales de alta velocidad.No existe una regla fija de diseño de PCB y, con la mejora de la tecnología de fabricación de PCB y la velocidad de transmisión de datos, es posible que las reglas correctas ahora ya no sean aplicables en el futuro.