Mundo, rastreamento de PCB, maio. Porque o rastreamento de PCB é trabalho. E este artigo abre um bloco inteiro, cujo objetivo é fornecer as ferramentas certas para esta tarefa. Ela substancia a importância de controlar o caminho da corrente de retorno e minimizar a indutância do circuito de corrente das linhas críticas de sinal, além de recomendações para o seu rastreamento ideal.
Como já mencionado nos artigos anteriores do ciclo, no processo de desenvolvimento de uma placa de circuito impresso deve-se levar em consideração as possibilidades de tecnologia acessível para sua produção. Além disso, por "acessibilidade", deve ser entendido aqui como "acessibilidade dentro de um determinado período, estrutura financeira e organizacional". As limitações tecnológicas são especialmente importantes durante a fase de rastreamento de PCB. Portanto, antes de iniciar o rastreamento, recomenda-se estudar os padrões tecnológicos do fabricante proposto e criar um conjunto de regras no sistema CAD usado, cuja implementação será monitorada automaticamente ao rastrear a placa de circuito impresso. Imediatamente, observamos que, embora os sistemas CAD modernos ofereçam ferramentas para rastrear automaticamente uma placa de circuito impresso, eles não serão considerados neste artigo e, em geral, não são recomendados para uso. Somente para um projeto relativamente simples, com uma boa colocação de componentes e um conjunto de regras bem pensado, essas ferramentas fornecem uma topologia de alta qualidade.
Não se esqueça da corrente de retorno
O rastreamento de PCB é o processo pelo qual o desenvolvedor define os caminhos do fluxo atual nas camadas de metalização do PCB. Nos circuitos elétricos, as correntes fluem ao longo de trajetos fechados - circuitos - do polo positivo da fonte de tensão para o negativo. Portanto, deve-se entender que a corrente direta que flui da fonte de tensão para a carga corresponde sempre à corrente de retorno que flui da carga de volta para a fonte. Esse par de correntes forma um loop fechado, cujo controle dos parâmetros, especialmente no caso de sinais de alta frequência, é a principal tarefa do desenvolvedor. Um grande número de erros e problemas com EMC e EMR de placas de circuito impresso deve-se precisamente ao fato de o desenvolvedor não analisar as trajetórias e a influência mútua das correntes de retorno. Na fig. A Figura 1 mostra um caminho de corrente típico da linha de sinal e um retângulo colorido destaca a parte desse circuito, que geralmente recebe a maior parte da atenção do desenvolvedor, enquanto a parte restante do circuito às vezes permanece por conta própria. A figura também reflete o fato de que os circuitos integrados não são fontes de energia elétrica. Eles desempenham a função de elementos-chave complexos, enquanto as fontes de energia são baterias, capacitores do subsistema de energia e fontes externas à placa de circuito.
Quando o caminho da corrente de retorno não é definido pelo desenvolvedor, ele é determinado pela topologia da placa (principalmente o fio comum) e pelas leis da física (como sempre, no entanto) - há uma distribuição da densidade da corrente ao longo dos caminhos em proporção inversa à sua impedância. No caso geral, essa distribuição não é expressa analiticamente, no entanto, para casos simples, existem soluções. No
segundo artigo do ciclo, foi feita uma recomendação para colocar camadas de sinal próximas a uma camada contínua de terra ou energia. Nesta configuração, a distribuição da corrente de retorno na camada de referência para o sinal de baixa frequência é quase uniforme (Fig. 2A), pois com a expansão da região de fluxo de corrente, a impedância determinada pelo componente resistivo diminui. À medida que a frequência aumenta, a influência do componente reativo se torna decisiva e o caminho que passa sob o caminho do sinal tem uma indutância mínima, uma vez que a área do loop é mínima (Fig. 2B, consulte o
primeiro artigo). Uma estimativa analítica da densidade de distribuição da corrente de retorno de uma fina linha de micro-tira (largura w ≤ h) é dada pela seguinte fórmula (x é a distância do centro geométrico da linha, h é a altura acima da camada de referência):
Essa distribuição fornece um valor mínimo de indutância, ou seja, para todas as frequências para as quais a resistência ôhmica é desprezível em comparação com a reatância, será descrita por esta fórmula. Uma análise da distribuição mostra que 50% da corrente está concentrada na banda ± h e 80% da corrente na banda ± 3h.
É importante entender que os sinais reais consistem em um conjunto de frequências com uma certa distribuição espectral, enquanto na maioria das vezes possuem uma parte de ruído, cujo espectro pode diferir significativamente do espectro do próprio sinal. Por exemplo, na linha de energia "baixa frequência", um ruído de impulso de alta frequência significativo pode ocorrer ao alternar circuitos digitais. Assim, para componentes de baixa frequência do sinal, a corrente de retorno é distribuída uniformemente em uma área ampla ao longo do caminho mais curto, e para alta frequência (f≳100 kHz), é concentrada em uma região estreita na proximidade máxima da corrente direta.
Evitando recortes na camada base
Qualquer desvio na distribuição atual do ideal leva a um aumento na indutância do circuito atual. O desvio ocorre se houver cortes (por exemplo, fenda, ranhura, folga) na camada de suporte, que podem ser causados por vias mecânicas e vias, várias vias ou terminais, uma faixa de sinal na camada do pilar (Fig. 3). Howard Johnson em [2, Seção 5.3] fornece uma estimativa da indutância introduzida por uma estreita descontinuidade de comprimento D:
onde w é a largura da pista, a influência da largura da lacuna em si é pequena. Para uma faixa de sinal com uma largura de w = 0,2 mm com uma folga de comprimento D = 1 cm, o aumento da indutância será de ∆L1 ≈ 8 nH. Para comparação, se o caminho do sinal fosse traçado em torno do espaço, seu comprimento aumentaria em média em D, que, por sua vez, com a altura da trilha acima da camada de referência h = 0,25 mm, levaria a um aumento duas vezes menor na indutância:
Minimize a indutância
A indutância parasitária está presente para cada elemento da placa de circuito impresso - trilhos, vias, camadas contínuas, juntas soldadas, fios de microcircuito, soldagem de micro-fios. Por que é importante minimizar a indutância perdida das linhas críticas (fontes agressivas de ruído de alta frequência e circuitos analógicos de baixa corrente sensíveis)? Basta lembrar algumas fórmulas nas quais a indutância é incluída como parâmetro: uma fórmula que relaciona o fluxo de um campo magnético e a força da corrente em um condutor
fórmula que relaciona a fem de indução quando a corrente no condutor muda
fórmulas de frequência de ressonância
e o fator de qualidade do circuito LC
Assim, quanto maior a indutância, maior a radiação, maior o ruído pulsado, incluindo diafonia, menor a frequência de excitação de oscilações espúrias e maior o tempo de decaimento. Todos esses efeitos, é claro, são indesejáveis, e os problemas associados a eles nem sempre podem ser resolvidos com o retrabalho da placa de circuito, como a instalação de componentes adicionais de filtragem e blindagem.
R.1
É essencial rotear linhas de sinal de alta frequência, minimizando a indutância do circuito, o que é alcançado por:
- minimizando o comprimento da faixa de impressão,
- exclusão de transições entre as camadas de sinal,
- a proximidade da pista com a camada de referência,
- ausência de lacunas na camada de referência no caminho da corrente de retorno.
Se não for possível eliminar a folga estendida na camada de referência sob a linha de sinal, é recomendável que pelo menos um capacitor de cerâmica (capacitor de costura inglês) seja localizado na proximidade máxima da linha de sinal, fornecendo um caminho de corrente de retorno através da seção. No entanto, à medida que a frequência aumenta, a indutância parasitária do capacitor e de seus compostos com a camada de referência diminui a eficiência da solução.
Otimizar transições de camada
É necessária uma consideração separada pela questão importante da transição de faixas entre as camadas de sinal, porque nem sempre é possível excluir a mira de todos os sinais críticos. Na fig. A Figura 4 mostra os caminhos das correntes de avanço e retorno para várias opções para a transição entre as camadas. A figura mostra condicionalmente o efeito do efeito de pele: as correntes de retorno fluem na camada superficial do condutor. Ao aumentar o número de setas vermelhas, pode-se julgar o aumento da indutância total do caminho ao qual a indutância das vias é adicionada e, no caso de diferentes camadas de referência, a indutância de juntas soldadas e a indutância em série do capacitor (indutância em série equivalente em inglês, ESL). Além disso, no caso de camadas de suporte de diferentes potenciais, a parte de alta frequência da corrente de retorno flui na forma de correntes de polarização (setas tracejadas vermelhas). Além de problemas com a integridade do sinal, isso leva ao aparecimento de ruído neste circuito de fonte de alimentação e a um aumento no nível de radiação eletromagnética [3].
Henry Ott em [4, Seção 16.3.3] apresenta os dados de um experimento no qual a mudança no nível de radiação eletromagnética de uma placa de circuito impresso de quatro camadas foi estudada no caso de uma transição de uma linha de alta frequência da camada superior para a inferior com as de terra de referência. As camadas de suporte não foram interconectadas por uma via, mas apenas devido ao acoplamento capacitivo. O nível de radiação para a mesma placa onde a linha de sinal foi separada em uma camada foi obtido como o inicial. O aumento foi de cerca de 30 dB a uma frequência de ~ 250 MHz, e somente após 2 GHz a capacitância distribuída da placa de circuito impresso forneceu uma impedância suficientemente baixa da transição entre as camadas de referência, para que o nível de EMR não diferisse muito. O experimento mostra a importância de eliminar transições entre as camadas de sinal para linhas de alta frequência.
R.2
Nos casos em que é impossível evitar a transição, as seguintes opções são recomendadas em ordem de prioridade:
- entre duas camadas adjacentes à mesma camada de suporte (Fig. 4B),
- entre duas camadas adjacentes às camadas de suporte do mesmo potencial (potência / terra), enquanto na proximidade máxima do local de mudança da camada (Fig. 4B) e, preferencialmente, ao longo da linha de sinal, as camadas de suporte são conectadas por vias,
- entre duas camadas adjacentes às camadas de suporte adjacentes de diferentes potenciais, enquanto na proximidade máxima do local de mudança da camada, as camadas de suporte são conectadas por pelo menos dois capacitores de cerâmica com uma baixa indutância de conexão (Fig. 4G),
- entre duas camadas adjacentes às camadas de suporte espaçadas de diferentes potenciais, enquanto na proximidade máxima do local de mudança da camada, as camadas de suporte são conectadas por capacitores de cerâmica com baixa indutância de acoplamento - não recomendado para sinais críticos com bordas da ordem de 1 ns.
Não é recomendável mudar entre mais de duas camadas para sinais críticos. A camada de suporte preferida nas duas primeiras variantes é a camada de terra. Se a camada de referência é a camada de energia, é necessário fornecer uma baixa impedância do subsistema de energia na banda do espectro de sinal. Observe que na maioria das vezes um grande número de capacitores de cerâmica está localizado próximo aos microcircuitos, portanto, a alteração da camada do caminho do sinal perto do receptor / transmissor é a melhor opção e, na melhor das hipóteses, não requer a colocação de componentes adicionais.
Em placas de circuito impresso complexas, existem muitas linhas de sinal e não é possível cumprir as recomendações especificadas neste artigo para todos os sinais, especialmente considerando os altos requisitos para as dimensões dos produtos finais. É por isso que é necessário selecionar um grupo de sinais críticos de alta frequência e sensíveis e começar a rastrear a partir deles. Nesse caso, o arranjo dos componentes associados a esse grupo deve oferecer a oportunidade para a fiação ideal de sinais críticos. A tarefa de minimizar a indutância do loop de corrente é apenas um dos aspectos do rastreamento da linha de sinal; nos próximos artigos do ciclo, serão consideradas técnicas de fiação e circuitos correspondentes que reduzem reflexos e diafonia nas linhas.
Literatura
[1] Holloway CL, Kuester EF "Expressões de forma fechada para a densidade de corrente no plano de aterramento de uma linha de micro-tira, com aplicações para perda de plano de aterramento". IEEE Transactions on Microowave Theory and Techniques, vol. 43, n. 5 de maio de 1995.
[2] Johnson H. "Design Digital de Alta Velocidade: Um Manual de Magia Negra", Prentice Hall, 1993.
[3] Cui W., Ye X., Archambeault B., etc. "EMI resultante de transições de sinais através do barramento de força CC", Simpósio Internacional de Compatibilidade Eletromagnética do IEEE, 2000.
[4] Ott, HW Engenharia de Compatibilidade Eletromagnética, Wiley, 2009.
O artigo foi publicado pela primeira vez na revista Components and Technologies 2018, No. 2. A publicação no Geektimes foi acordada com os editores da revista.