World, PCB trace, mayo. Porque el rastreo de PCB es trabajo. Y este artículo abre un bloque completo, cuyo propósito es proporcionar las herramientas adecuadas para esta tarea. Substancia la importancia de controlar la ruta de la corriente de retorno y minimizar la inductancia del circuito de corriente de las líneas de señal críticas, así como las recomendaciones para su rastreo óptimo.
Como ya se mencionó en artículos anteriores del ciclo, en el proceso de desarrollo de una placa de circuito impreso debe tener en cuenta las posibilidades de tecnología asequible para su producción. Además, por "accesibilidad" debe entenderse aquí como "accesibilidad dentro del marco de tiempo, financiero y organizativo dado". Las limitaciones tecnológicas son especialmente importantes durante la fase de rastreo de PCB. Por lo tanto, antes de comenzar el rastreo, se recomienda estudiar los estándares tecnológicos del fabricante propuesto y crear un conjunto de reglas en el sistema CAD utilizado, cuya implementación será monitoreada automáticamente al rastrear la placa de circuito impreso. Inmediatamente, observamos que aunque los sistemas CAD modernos ofrecen herramientas para rastrear automáticamente una placa de circuito impreso, no se considerarán en este artículo y, en general, no se recomienda su uso. Solo para un proyecto relativamente simple con una buena ubicación de componentes y un conjunto de reglas bien pensado, estas herramientas proporcionan una topología de alta calidad.
No te olvides de la corriente de retorno
El rastreo de PCB es el proceso mediante el cual el desarrollador establece las rutas del flujo de corriente en las capas de metalización de la PCB. En los circuitos eléctricos, las corrientes fluyen a lo largo de caminos cerrados (circuitos) desde el polo positivo de la fuente de voltaje hasta el negativo. Por lo tanto, debe entenderse que la corriente continua que fluye desde la fuente de voltaje a la carga siempre corresponde a la corriente de retorno que fluye desde la carga de regreso a la fuente. Este par de corrientes forma un circuito cerrado, cuyo control de los parámetros, especialmente en el caso de señales de alta frecuencia, es la tarea principal del desarrollador. Una gran cantidad de errores y problemas con EMC y EMR de placas de circuito impreso se debe precisamente al hecho de que el desarrollador no analiza las trayectorias y la influencia mutua de las corrientes de retorno. En la fig. La Figura 1 muestra una ruta de corriente típica de la línea de señal, y un rectángulo de color resalta la parte de este circuito, que generalmente recibe la mayor parte de la atención del desarrollador, mientras que la parte restante del circuito a veces permanece sola. La figura también refleja el hecho de que los circuitos integrados no son fuentes de energía eléctrica. Realizan la función de elementos clave complejos, mientras que las fuentes de energía son baterías, condensadores del subsistema de energía, así como fuentes externas a la placa de circuito.
Cuando el desarrollador no establece la ruta de la corriente de retorno, está determinada por la topología de la placa (principalmente el cable común) y las leyes de la física (como, sin embargo, siempre): hay una distribución de la densidad de corriente a lo largo de las rutas en proporción inversa a su impedancia. En el caso general, esta distribución no se expresa analíticamente, sin embargo, para casos simples, existen soluciones. En el
segundo artículo del ciclo, se hizo una recomendación para colocar capas de señal cerca de una capa continua de tierra o energía. En esta configuración, la distribución de la corriente de retorno en la capa de referencia para la señal de baja frecuencia es casi uniforme (Fig. 2A), ya que con la expansión de la región de flujo de corriente, la impedancia determinada por el componente resistivo disminuye. A medida que aumenta la frecuencia, la influencia del componente reactivo se vuelve decisiva y la ruta que pasa por debajo de la ruta de señal tiene una inductancia mínima, ya que el área del bucle es mínima (Fig. 2B, ver el
primer artículo). La siguiente fórmula proporciona una estimación analítica de la densidad de distribución de la corriente de retorno de una línea delgada (ancho w ≤ h) de microstrip (x es la distancia desde el centro geométrico de la línea, h es la altura sobre la capa de referencia):
Dicha distribución proporciona un valor mínimo de inductancia, es decir, para todas las frecuencias para las cuales la resistencia óhmica es insignificante en comparación con la reactancia, se describirá mediante esta fórmula. Un análisis de la distribución muestra que el 50% de la corriente se concentra en la banda ± h, y el 80% de la corriente en la banda ± 3h.
Es importante comprender que las señales reales consisten en un conjunto de frecuencias que tienen una cierta distribución espectral, mientras que a menudo tienen una parte de ruido, cuyo espectro puede diferir significativamente del espectro de la señal misma. Por ejemplo, en la línea de alimentación de "baja frecuencia", puede producirse un ruido de impulso significativo de alta frecuencia al conmutar circuitos digitales. Por lo tanto, para componentes de baja frecuencia de la señal, la corriente de retorno se distribuye uniformemente en un área amplia a lo largo del camino más corto, y para alta frecuencia (f≳100 kHz), se concentra en una región estrecha en la proximidad máxima a la corriente continua.
Evitar recortes en la capa base
Cualquier desviación en la distribución actual del óptimo conduce a un aumento en la inductancia del bucle actual. La desviación se produce si hay cortes (por ejemplo, división, ranura, espacio) en la capa de soporte, que pueden ser causados por mecanismos y vías, una serie de vías o terminales, una pista de señal en la capa de pilar (Fig. 3). Howard Johnson en [2, Sección 5.3] da una estimación de la inductancia introducida por una discontinuidad estrecha de longitud D:
donde w es el ancho de la pista, la influencia del ancho del espacio en sí es pequeña. Para una pista de señal con un ancho de w = 0.2 mm con un espacio de longitud D = 1 cm, el aumento de la inductancia será ∆L1 ≈ 8 nH. A modo de comparación, si la ruta de la señal se dibujara alrededor del espacio, su longitud aumentaría en promedio D, lo que, a su vez, con la altura de la pista por encima de la capa de referencia h = 0.25 mm, conduciría a un aumento de inductancia dos veces menor:
Minimiza la inductancia
La inductancia parásita está presente para cada elemento de la placa de circuito impreso: pistas, vías, capas continuas, uniones soldadas, cables de microcircuito, soldadura de microhilos. ¿Por qué es importante minimizar la inductancia parásita de las líneas críticas (fuentes agresivas de ruido de alta frecuencia y circuitos analógicos sensibles de baja corriente)? Es suficiente recordar algunas fórmulas en las que la inductancia se incluye como parámetro: una fórmula que relaciona el flujo de un campo magnético y la intensidad de corriente en un conductor
fórmula que relaciona la fem de inducción cuando cambia la corriente en el conductor
fórmulas de frecuencia de resonancia
y el factor de calidad del circuito LC
Por lo tanto, cuanto mayor es la inductancia, mayor es la radiación, mayor es el ruido pulsado, incluida la diafonía, menor es la frecuencia de excitación de las oscilaciones espurias y mayor es el tiempo de caída. Todos estos efectos, por supuesto, no son deseables, y los problemas asociados con ellos no siempre se pueden resolver volviendo a trabajar la placa de circuito, como instalar componentes de filtrado adicionales, blindaje.
R.1.
Es fundamental enrutar las líneas de señal de alta frecuencia, minimizando la inductancia del circuito, que se logra mediante:
- minimizando la longitud de la pista de impresión,
- exclusión de transiciones entre capas de señal,
- la proximidad de la pista a la capa de referencia,
- ausencia de espacios en la capa de referencia en la ruta de la corriente de retorno.
Si no es posible eliminar el espacio extendido en la capa de referencia debajo de la línea de señal, se recomienda que al menos un condensador cerámico (condensador de costura en inglés) se ubique en la máxima proximidad a la línea de señal, proporcionando una ruta de corriente de retorno a través de la sección. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, la inductancia parásita del condensador y sus compuestos con la capa de referencia disminuye la eficiencia de la solución.
Optimizar las transiciones de capa
La cuestión importante de la transición de pista entre las capas de señal requiere una consideración por separado, ya que no siempre es posible excluir el punto de mira para todas las señales críticas. En la fig. La Figura 4 muestra los caminos de las corrientes de avance y retorno para varias opciones para la transición entre capas. La figura muestra condicionalmente el efecto del efecto piel: las corrientes de retorno fluyen en la capa superficial del conductor. Al aumentar el número de flechas rojas, se puede juzgar el aumento en la inductancia total de la ruta a la que se agrega la inductancia de las vías, y en el caso de diferentes capas de referencia, la inductancia de uniones soldadas y la inductancia en serie del condensador (inductancia en serie equivalente en inglés, ESL). Además, en el caso de capas de soporte de diferentes potenciales, la parte de alta frecuencia de la corriente de retorno fluye en forma de corrientes de polarización (flechas rojas discontinuas). Además de los problemas con la integridad de la señal, esto conduce a la aparición de ruido en este circuito de suministro de energía y a un aumento en el nivel de radiación electromagnética [3].
Henry Ott en [4, Sección 16.3.3] presenta los datos de un experimento en el que se estudió el cambio en el nivel de radiación electromagnética para una placa de circuito impreso de cuatro capas en el caso de una transición de una línea de alta frecuencia de la capa superior a la inferior con las de tierra de referencia. Las capas de soporte no estaban interconectadas por una vía, sino solo debido al acoplamiento capacitivo. El nivel de radiación para la misma placa donde se separó la línea de señal en una capa se tomó como la inicial. El aumento fue de aproximadamente 30 dB a una frecuencia de ~ 250 MHz, y solo después de 2 GHz, la capacitancia distribuida de la placa de circuito impreso proporcionó una impedancia suficientemente baja de la transición entre las capas de referencia para que el nivel de EMR no difiera mucho. El experimento muestra la importancia de eliminar las transiciones entre capas de señal para líneas de alta frecuencia.
R.2.
En los casos en que es imposible evitar la transición, se recomiendan las siguientes opciones en orden de prioridad:
- entre dos capas adyacentes a la misma capa de soporte (Fig. 4B),
- entre dos capas adyacentes a las capas de soporte del mismo potencial (potencia / tierra), mientras que en la máxima proximidad al lugar de cambio de la capa (Fig. 4B) y, preferiblemente, a lo largo de la línea de señal, las capas de soporte están conectadas por vías,
- entre dos capas adyacentes a las capas de soporte adyacentes de diferentes potenciales, mientras que en la proximidad máxima al lugar de cambio de la capa, las capas de soporte están conectadas por al menos dos condensadores cerámicos con una baja inductancia de conexión (Fig. 4G),
- entre dos capas adyacentes a capas de soporte espaciadas de diferentes potenciales, mientras que en la máxima proximidad al lugar de cambio de la capa, las capas de soporte están conectadas por condensadores cerámicos con una baja inductancia de acoplamiento, no recomendado para señales críticas con bordes del orden de 1 ns.
No se recomienda cambiar entre más de dos capas para señales críticas. La capa de soporte preferida en las dos primeras variantes es la capa de tierra. Si la capa de referencia es la capa de potencia, entonces es necesario proporcionar una baja impedancia del subsistema de potencia en la banda del espectro de señal. Tenga en cuenta que la mayoría de las veces se encuentra una gran cantidad de condensadores cerámicos cerca de los microcircuitos, por lo que cambiar la capa de la ruta de la señal cerca del receptor / transmisor es lo más óptimo y, en el mejor de los casos, no requiere la colocación de componentes adicionales.
En las placas de circuito impreso complejas, hay muchas líneas de señal y no es posible cumplir con las recomendaciones especificadas en este artículo para todas las señales, especialmente dados los altos requisitos para las dimensiones de los productos finales. Es por eso que es necesario seleccionar un grupo de señales críticas de alta frecuencia y sensibles y comenzar a rastrearlas. En este caso, la disposición de los componentes asociados con este grupo debería brindar la oportunidad de un cableado óptimo de las señales críticas. La tarea de minimizar la inductancia del bucle de corriente es solo uno de los aspectos del trazado de la línea de señal; en los próximos artículos del ciclo, se considerarán las técnicas de cableado y los circuitos de coincidencia que reducen los reflejos y la diafonía en las líneas.
Literatura
[1] Holloway CL, Kuester EF "Expresiones de forma cerrada para la densidad actual en el plano de tierra de una línea de microstrip, con aplicaciones a la pérdida del plano de tierra". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 43, no. 5 de mayo de 1995.
[2] Johnson H. "Diseño digital de alta velocidad: un manual de magia negra", Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B., etc. "EMI resultante de la señal a través de transiciones a través del bus de alimentación de CC", Simposio internacional de IEEE sobre compatibilidad electromagnética, 2000.
[4] Ott, HW Ingeniería de compatibilidad electromagnética, Wiley, 2009.
El artículo fue publicado por primera vez en la revista Components and Technologies 2018, No. 2. La publicación en Geektimes ha sido acordada con los editores de la revista.