11 melhores práticas de roteamento de PCB de alta velocidade

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11 melhores práticas de roteamento de PCB de alta velocidade 1 11 melhores práticas de roteamento de PCB de alta velocidade

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Um projetista de PCBs tem uma tarefa difícil quando se trata de rotear uma placa de circuito. As coisas ficam muito mais complicadas quando o design envolve sinais de alta velocidade. Em um esforço para ajudar esses projetistas de PCB, elaboramos uma lista das melhores práticas de roteamento de PCB de alta velocidade que os ajudarão a alcançar esse projeto perfeito de alta velocidade.

1. Dedique uma camada interna a um plano de aterramento completo.

Um dos problemas mais comuns no design de placas de circuito impresso e também no design do sistema é a falta de uma boa estrutura de aterramento.

Como regra geral, é mais benéfico ter um terreno comum de rocha sólida. Para melhores resultados, um designer deve incorporar pelo menos um PCB de quatro camadas. Um PCB de quatro camadas permite dedicar uma das camadas internas a um plano de aterramento completo. Um plano de aterramento composto por uma folha de cobre completa e plana, do tamanho da PCB, garante impedância mínima entre alguns pontos de aterramento. Este plano de terra nunca deve ser quebrado roteando qualquer pequena pista nele. Deve existir apenas um plano de terra nessa camada.

Quando parte do cobre é removida neste plano, impedâncias parasitárias são introduzidas imediatamente nos trilhos vizinhos. Nesse tipo de projeto, geralmente, o lado mais próximo ao plano de terra é usado para montar todos os componentes de alta velocidade, como componentes de RF, usando técnicas de micro-tira. O lado oposto é usado para montar componentes menos críticos. Por fim, a segunda camada interna é usada para fontes de alimentação, em que os planos de energia são fabricados o maior possível para reduzir a impedância.

Placa de RF

Um PCB de dupla face pode ser a escolha certa para uso econômico quando se trata de minimização de custos. Conseguir isso é bastante difícil. Quando houver a necessidade de rotear trilhas em ambos os lados da PCB na mesma área, um bom plano de terra não será mais garantido. A única solução é então implementar enormes planos de terra em ambos os lados, interconectados por várias vias.

Vias de costura no solo

Projetar um PCB de dupla face pode se tornar complexo, pois o plano de terra é compartilhado entre as camadas superior e inferior. O projetista deve garantir que haja pelo menos um plano de aterramento completo na seção mais crítica. O lado superior deve ser usado para rotear o máximo possível com alguns traços no lado inferior.

São necessárias muitas vias de interconexão para interconectar os terrenos superior e inferior. Mais importante ainda, os traços inferiores nunca devem cruzar os traços mais largos de alta velocidade no lado oposto.

Às vezes, os planos de terra divididos são implementados em casos críticos. Por exemplo, um plano de aterramento para as seções lógicas e um plano de aterramento para os componentes analógicos, interconectados em um único ponto. O conceito é reduzir o ruído através dos planos de terra. Infelizmente, é bastante desafiador implementar com precisão essa ideia. Em particular, é obrigatório rotear todos os traços que vão de uma região para outra exclusivamente acima deste ponto de interconexão. Caso contrário, isso fornece uma antena muito boa que transmite ou recebe sinais espúrios. Na maioria dos casos, um aterramento único completo é mais confiável e oferece melhores resultados do que aterramentos, desde que a colocação dos componentes seja adequada.

Laço atual de alta velocidade

Geralmente, um plano de terra dividido é evitado, a menos que haja uma necessidade específica, como fortes riscos de ESD. Ou então, qualquer pista que passe de uma área terrestre para outra deve cruzar a fronteira logo abaixo do ponto de interconexão. Caso contrário, haverá um loop atual levando a problemas EMC.

2. Evite pontos quentes colocando vias em uma grade.

As vias de sinal produzem vazios nos planos de força e terra. O posicionamento inadequado das vias pode criar áreas planas nas quais a densidade de corrente é aumentada. Essas regiões são chamadas de pontos quentes. Esses pontos quentes devem ser evitados. A melhor solução é colocar as vias em uma grade que deixe espaço suficiente entre as vias para que o plano de energia passe. Como regra geral, coloque vias 15 mils afastadas sempre que possível.

Pontos quentes de avião de cobre

Evite pontos quentes do avião de cobre

3. Mantenha traços de 135⁰ em vez de 90⁰ ao rotear sinais de alta velocidade.

As curvas devem ser mantidas no mínimo durante o roteamento de sinais de alta velocidade. Se as dobras forem necessárias, devem ser implementadas dobras de 135 ° em vez de 90 °.

Rastrear dobras

Use 135⁰ dobras em vez de 90⁰.

Para atingir um comprimento específico de traço, são necessários traços serpentinos. Uma distância mínima de 4 vezes a largura do traço deve ser mantida entre o cobre adjacente em um único traço. Cada segmento das dobras deve ter 1,5 vezes a largura do traço. A maioria dos DRCs nas ferramentas CAD não verifica essas distâncias mínimas, pois os rastreamentos fazem parte da mesma rede.

Distância mínima do traço de alta velocidade

Mantenha distância mínima e comprimento do segmento nas curvas.

4. Aumente a distância entre os sinais fora das regiões de gargalo para evitar a diafonia.

Uma distância mínima deve ser mantida entre os traços para minimizar a diafonia. O nível de diafonia depende do comprimento e da distância entre os dois traços. Em algumas áreas, o roteamento de traços atinge um gargalo, onde os traços estão mais próximos do que a distância permitida entre eles. Em tais situações, a distância entre os sinais fora do gargalo deve ser aumentada. Mesmo se o requisito mínimo for atendido, o espaçamento poderá ser aumentado um pouco mais.

Práticas de roteamento de alta velocidade

Aumente o espaçamento entre os traços sempre que possível.

5. Evite traços longos de stub implementando o roteamento em cadeia para manter a integridade do sinal.

Os traços longos de stub podem atuar como antenas e, consequentemente, aumentar os problemas em conformidade com os padrões EMC. Os traçados de stub também podem criar reflexões que afetam negativamente a integridade do sinal. Resistores pull-up ou pull-down em sinais de alta velocidade são fontes comuns de stubs. Se tais resistores forem necessários, direcione os sinais como uma série.

Rastreio de stubs

Evite rastreios de stub implementando o roteamento em cadeia.

Melhor DFM da Sierra Circuits

6. Não coloque componentes ou vias entre pares diferenciais

Ao rotear pares diferenciais de alta velocidade paralelos entre si, uma distância constante deve ser mantida entre eles. Essa distância ajuda a alcançar a impedância diferencial especificada. O designer deve minimizar a área na qual o espaçamento especificado é aumentado devido às entradas do teclado. Os pares diferenciais devem ser roteados simetricamente.

Sinais de par diferencial

Direcione os pares diferenciais simetricamente e mantenha os sinais paralelos.

O projetista não deve colocar nenhum componente ou via entre pares diferenciais, mesmo que os sinais sejam roteados simetricamente. A colocação de componentes e vias entre pares diferenciais pode levar a problemas EMC e descontinuidades de impedância.

O par diferencial sinaliza dois traços

Não inclua nenhum componente ou via entre um diferencial.

Alguns pares diferenciais de alta velocidade precisam de capacitores de acoplamento serial. Esses capacitores devem ser colocados simetricamente. Os capacitores e os pads produzem descontinuidades de impedância. Tamanhos de capacitores como 0402 são preferíveis, 0603 são aceitáveis. Pacotes maiores como 0805 ou C-packs devem ser evitados.

Traços diferenciais com capacitores de acoplamento

Coloque capacitores de acoplamento simetricamente

Como as vias introduzem uma enorme descontinuidade na impedância, o número de vias deve ser reduzido e colocado simetricamente.

Linhas diferenciais com Vias

Coloque vias simetricamente.

Ao rotear um par diferencial, os dois rastreamentos devem ser roteados na mesma camada para que os requisitos de impedância sejam atendidos. Além disso, o mesmo número de vias deve ser incluído nos traços.

Pares diferenciais com Vias

Roteie os pares na mesma camada e coloque o mesmo número de vias.

7. Incorpore a correspondência de comprimento para obter uma inclinação de atraso apertada entre sinais positivos e negativos.

As interfaces de alta velocidade possuem requisitos adicionais relativos à inclinação do relógio da hora de chegada entre diferentes traços e pares de sinais. Por exemplo, em um barramento paralelo de alta velocidade, todos os sinais de dados precisam chegar dentro de um período de tempo para atender à configuração e manter os requisitos de tempo do receptor. O projetista de PCB deve garantir que essa inclinação permitida não seja excedida. Para atingir esse requisito, a correspondência de comprimento é necessária.

Os sinais do par diferencial exigem uma inclinação de retardo muito estreita entre os traços de sinal positivo e negativo. Portanto, quaisquer diferenças de comprimento devem ser compensadas usando serpentinas. A geometria dos traços serpentinos deve ser cuidadosamente projetada para reduzir a descontinuidade da impedância.

Traço Serpentino Diferencial

Use esta geometria de rastreamento serpentina recomendada.

O projetista deve colocar os traços serpentinos na raiz do comprimento incompatível. Isso garante que os componentes de sinal positivo e negativo sejam propagados de forma síncrona pela conexão.

Linhas diferenciais incompatíveis

Adicione correção de comprimento ao ponto de incompatibilidade.

As dobras geralmente são a fonte de diferenças de comprimento. A compensação deve ser plantada muito perto da dobra, com uma distância máxima de 15 mm.

Linhas Diferenciais de Compensação

Coloque a compensação do comprimento perto das dobras.

Geralmente, duas curvas se compensam. Se as dobras forem inferiores a 15 mm, não será necessária nenhuma compensação adicional com serpentinas. Os sinais não devem atravessar assincronamente a uma distância superior a 15 mm.

Compensação de dobras diferenciais

As dobras podem compensar uma à outra.

As incompatibilidades em cada segmento de uma conexão de par diferencial devem ser correspondidas individualmente. Na figura mostrada abaixo, as vias separam o par diferencial em dois segmentos. As dobras precisam ser compensadas individualmente aqui. Isso garante que os sinais positivos e negativos sejam propagados de forma síncrona pelas vias. A RDC ignora essa violação, pois apenas verifica a diferença de comprimento em toda a conexão.

Compensando diferenças de comprimento

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As diferenças de comprimento devem ser compensadas em cada segmento.

A velocidade do sinal não é a mesma em todas as camadas de uma placa de circuito impresso. Como é difícil descobrir a diferença, é preferível rotear sinais na mesma camada, se eles precisarem corresponder.

Roteamento de pares diferenciais

Pares dentro da mesma interface devem ser preferencialmente roteados na mesma camada.

Algumas das ferramentas CAD também consideram o comprimento do rastreio dentro de um bloco em seu comprimento total. A figura abaixo mostra dois layouts semelhantes do ponto de vista elétrico.

Na figura da esquerda, os traços no interior dos capacitores não têm o mesmo comprimento. Mesmo que os sinais não estejam usando os traços internos, algumas ferramentas CAD consideram isso como parte do cálculo do comprimento e exibem uma diferença de comprimento entre os sinais positivos e negativos. Para minimizar isso, verifique se a entrada do teclado é igual para os dois sinais.

Da mesma forma, algumas ferramentas CAD não consideram o comprimento das vias ao calcular o comprimento total. Como os pares diferenciais devem ter a mesma quantidade de vias nos dois rastreamentos, o erro não afeta a correspondência de comprimento. No entanto, isso pode afetar os cálculos para a correspondência de dois pares diferenciais ou a correspondência de barramentos paralelos.

Ferramentas CAD de linhas diferenciais

Preste atenção aos problemas de cálculo de comprimento encontrados em algumas ferramentas CAD.

Sempre que possível, é preferível uma quebra simétrica do sinal do par diferencial, a fim de evitar os traços serpentinos.

Falhas simétricas de linhas diferenciais

Esta é a fuga simétrica preferida.

Podem ser incluídos pequenos loops para traços mais curtos, em vez de traços serpentinos, se houver espaço suficiente entre os blocos. Isso geralmente é preferido sobre um traço serpentino.

Quebra preferencial de pares diferenciais

Esta é a quebra preferida de pares diferenciais.

8. Não direcione um sinal de alta velocidade sobre um plano dividido, pois o caminho de retorno será incapaz de seguir o rastreamento do sinal.

Um caminho de retorno de sinal incorreto resulta em problemas de acoplamento de ruído e EMI. O projetista deve sempre pensar no caminho de retorno do sinal ao rotear um sinal. Os trilhos de força e os sinais de baixa velocidade seguem o caminho mais curto da corrente de retorno. Em contraste com isso, a corrente de retorno dos sinais de alta velocidade tenta seguir o caminho do sinal. Os sinais do par diferencial apresentam um traço de sinal positivo e negativo que precisa ser considerado ao rotear sinais.

Caminho de retorno de sinal

Nos sinais de alta velocidade, a corrente de retorno tenta seguir o caminho do sinal.

Um sinal não deve ser roteado sobre um plano dividido, pois o caminho de retorno não é capaz de seguir o rastreamento do sinal. Se um plano estiver dividido entre um coletor e uma fonte, direcione o traço de sinal ao redor dele. Se os caminhos de encaminhamento e retorno de um sinal são separados, a área entre eles atua como uma antena em loop.

Os capacitores de costura devem ser incorporados se um sinal precisar ser roteado por dois planos de referência diferentes. O capacitor de costura permite que a corrente de retorno viaje de um plano de referência para outro. O capacitor deve ser colocado próximo ao caminho do sinal, para que a distância entre o caminho de avanço e retorno seja mantida pequena. Geralmente, os valores dos capacitores de costura estão entre 10nF e 100nF.

Capacitores de costura sobre planos divididos

Colocação de capacitores de costura sobre planos divididos.

Em geral, obstruções e ranhuras de avião devem ser evitadas. Se for realmente necessário passar por essa obstrução, use capacitores de costura.

Capacitores de costura sobre planos

Capacitores de costura incorporados ao passar sobre o plano obstruem.

O projetista deve procurar espaços vazios nos planos de referência ao rotear sinais de alta velocidade. Os vazios nos planos de referência são gerados ao aproximar as vias. Grandes áreas vazias devem ser evitadas, garantindo uma separação adequada entre as vias. É melhor colocar menos vias de terra e energia para reduzir os vazios.

Evitando Via Void Plane

Evite através de vazios de avião.

O caminho de retorno deve ser considerado na fonte e no coletor de um sinal. Na figura mostrada abaixo, o design esquerdo é considerado ruim. Como existe apenas um único terra via no lado da fonte, a corrente de retorno não pode retornar ao plano de referência como pretendido. O caminho de retorno é a conexão à terra presente na camada superior. O problema em questão é que a impedância do rastreamento do sinal é calculada conforme referenciado no plano de aterramento e não no rastreamento de aterramento na camada superior. Portanto, é essencial colocar as vias de terra no lado da fonte e afundar do sinal. Isso permite que a corrente de retorno retorne ao plano de terra.

Caminho de retorno por motivos

O caminho de retorno deve ser considerado ao colocar vias de terra.

Quando um plano de potência é considerado uma referência a um sinal, o sinal deve ser capaz de se propagar de volta pelo plano de potência. Os sinais são referenciados ao terra na fonte e afundam. Para mudar a referência para o plano de energia, os capacitores de costura devem ser incorporados no coletor e na fonte. Se o coletor e a fonte estiverem utilizando o mesmo trilho de energia para sua alimentação, os capacitores de bypass poderão atuar como capacitores de costura se forem colocados perto do ponto de entrada / saída do sinal. O valor ideal para o capacitor de costura está entre 10nF e 100nF.

Capacitores de costura com planos de potência

Inclua capacitores de costura ao usar planos de energia como referência.

Quando um sinal alterna uma camada, o plano de aterramento de referência também é alternado. Portanto, as vias de costura devem ser adicionadas próximas às vias de mudança de camada. Isso permite que a corrente de retorno mude o plano de terra. Ao lidar com sinais diferenciais, as vias de terra de comutação devem ser colocadas simetricamente.

Referência do solo dos capacitores de costura

Os capacitores de costura devem ser incluídos quando o sinal mudar a referência do solo.

Quando um sinal muda para uma camada que possui uma rede diferente como referência, os capacitores de costura devem ser implementados. Isso permite que a corrente de retorno flua do solo para o plano de potência através do capacitor de costura. Além disso, a colocação e o roteamento do capacitor de costura devem ser simétricos quando os pares diferenciais são considerados.

Plano de referência de sinal de capacitores de costura

Incorpore capacitores de costura quando o plano de referência do sinal mudar.

O projetista não deve rotear sinais de alta velocidade na borda dos planos de referência ou perto das bordas da placa de circuito impresso. Isso pode ter um impacto adverso na impedância de rastreamento.

Roteando para longe das bordas do PCB

Sinais de alta velocidade não devem ser roteados nas bordas do avião e da placa de circuito impresso.

9. A abordagem de plano dividido o ajudará a classificar suas bases analógicas e digitais no esquema.

A abordagem de terra dividida facilita no esquema determinar quais componentes e pinos devem ser conectados ao terra digital e quais ao terra analógico. Esses tipos de esquemas podem ser roteados colocando dois planos de terra diferentes como referência. Os dois planos devem ser colocados com precisão. O terra analógico deve ser colocado embaixo dos pinos e componentes analógicos.

Divisão do plano de potência

A divisão do plano de potência precisa ser colocada com cuidado

Os circuitos de sinal misto requerem o aterramento analógico e digital conectados juntos em um único ponto. Nos esquemas de referência, é sempre recomendável colocar esferas de ferrite ou resistores de zero ohm entre as duas redes. A fusão do terra digital e analógico deve ser colocada perto do circuito integrado. Em um projeto de sinal misto que possui planos divididos, o sinal digital não deve ser roteado sobre um plano de aterramento analógico e o sinal analógico não deve ser roteado sobre o plano de aterramento digital.

Sinais digitais e plano de aterramento analógico

Os sinais digitais não devem cruzar o plano de aterramento analógico

10. Divida os layouts virtualmente entre áreas analógica e digital.

Na abordagem de divisão virtual, o solo analógico e o digital não são separados no diagrama esquemático. Além disso, nos dois domínios terrestres também não são eletricamente divididos no layout. Curiosamente, o layout é dividido virtualmente, ou seja, é feita uma separação imaginária entre o solo analógico e o digital. Os componentes devem ser colocados cuidadosamente, considerando o lado correto dos planos virtualmente divididos.

Divisão de avião virtual

Os componentes devem ser colocados cuidadosamente com a divisão do plano virtual.

O projetista deve ter em mente a linha virtual entre os dois domínios terrestres durante o processo de roteamento de PCB de alta velocidade. Nem o traço de sinal digital nem o analógico podem atravessar a linha de divisão virtual. A linha de divisão virtual não deve ter uma forma complicada, pois não há obstruções no plano para manter a corrente de retorno analógica e digital separada.

Terreno analógico virtual

Os sinais digitais não devem atravessar o campo analógico virtual.

11. O melhor desempenho em alta velocidade é alcançado se a largura do componente estiver próxima da largura da esteira.

Vamos abordar nossa última dica de roteamento de PCBs de alta velocidade. O design da placa começa com o esquema, especificamente com a seleção dos componentes. Os dispositivos de montagem em superfície (SMD) são preferidos, pois componentes menores e fios mais curtos resultam em desempenhos de alta velocidade mais estáveis.

Escolher o pacote pode ficar complicado às vezes. Um critério benéfico é observar a largura da trilha calculada para uma impedância de 50 ohm. Os melhores desempenhos de alta velocidade geralmente são alcançados se a largura do componente estiver próxima da largura da pista. Isso diminuirá os problemas de correspondência de impedância entre a pista e o bloco de componentes.

Incompatibilidades de impedância

As incompatibilidades de impedância podem ser reduzidas selecionando os componentes que possuem um pacote quase do mesmo tamanho da largura calculada da faixa. Os pontos de teste devem ser planejados na fase esquemática.

Todas as práticas de roteamento de PCBs de alta velocidade acima mencionadas podem ajudar um designer a criar uma placa que não apenas resulta em um design eficiente, mas também em um fabricante. Projete com a velocidade da sua mente.

Faça o download do nosso guia de design de PCB de alta velocidade:

Guia de design de PCB de alta velocidade

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