Dominar el diseño PCB de alta velocidad: Conceptos erróneos comunes y estrategias probadas

En sistemas electrónicos de alta velocidad, el éxito del diseño de PCB conduce directamente a alta resolución de problemas en compatibilidad electromagnética (EMC) tanto en teoría como en práctica. Para alcanzar el estándar EMC, el diseño PCB de alta velocidad enfrenta grandes retos, por lo que los diseñadores deben abandonar filosofías y enfoques tradicionales. Este pasaje analiza malentendidos y estrategias en diseño PCB de alta velocidad desde la perspectiva práctica.

Constante dieléctrica de material PCB alta velocidad

Actualmente hay tres técnicas principales: técnica de diseño gráfico de ruido y retardo, técnica de control de impedancia y retardo de propagación, y técnica de evaluación con impedancia PCB como parámetro; las dos últimas son el corazón de la fabricación. Hay muchas técnicas de transmisión en fabricación PCB alta velocidad; estructuras básicas comunes: microstrip y stripline. En líneas de transmisión PCB alta velocidad, Z₀ (impedancia) y tₚd (retardo de propagación) son las variables más importantes. Si la estructura microstrip difiere de stripline, la fórmula de cálculo también difiere. Pero en cualquier caso, la impedancia siempre es la estructura geométrica de la línea de transmisión. En la mayoría de situaciones, la constante dieléctrica de parte del material PCB se ve influida por frecuencia, tasa absorción de agua, temperatura y características eléctricas. Para PCB de 2 o multicapa, su constante dieléctrica se ve influida por proporción de resina y silicio en el material.

Hoy, el material más común es FR4. Proveedores suelen indicar valores de constante dieléctrica que los técnicos usan. En aplicaciones prácticas, los parámetros suelen obtenerse a 1 MHz, pero en alta velocidad la constante dieléctrica cambia notablemente (Figura 1).

Las tres curvas en Figura 1 corresponden a diferentes proporciones silicio/resina. Curva A la más alta, B media, C la más baja. Si los operadores no notan la diferencia, gran desviación entre cálculos/simulación y práctica en impedancia y retardo, afectando diseño de integridad de señal en sistemas alta velocidad.

Problema de esquina 90°

En la mayoría de documentos se debe evitar esquina 90° en enrutado PCB porque puede causar discontinuidad de impedancia y radiación EMI. Teóricamente, el cambio de ancho en esquina 90° es grande, resultando en gran impedancia y discontinuidad seria. Prácticamente, la potencia electromagnética tiende a concentrarse en la esquina del enrutado; cuanto más aguda, más concentración. Así, la radiación EMI es más prominente en esquina 90°.

Pero algunos investigadores encuentran que la influencia en impedancia está dentro del 10 %. Para ancho 6 mil, si se vuelve longitud clave, estará en rango THz. Así, se estima que esquina 90° definitivamente causará discontinuidad en situaciones prácticas.

Por tanto, en enrutado PCB práctico, al menos en rango GHz, es innecesario evitar esquina 90° a toda costa.

Principio 20-H

Desde su aparición por KNG, el principio 20-H se aceptó como principal para diseño PCB alta velocidad. Algunos indican que reduce densidad electromagnética ambiental en capas concernidas ~70 % y reduce radiación EMI externa. Pero muchos experimentos no respaldan esas expectativas.

Experimentos indican que para PCB 2 capas, 20-H causa radiación más seria; para multicapa, usar 20-H en capa dieléctrica interna no trae mejora obvia.

Parámetros de capacitancia de filtrado

La capacitancia de filtrado es medida eficaz y económica para resolver problemas EMC en sistemas electrónicos. Pero sistemas alta velocidad imponen nuevos requisitos a rendimiento y diseño aplicable de capacitancia filtrado. Modelo simplificado en Figura 2.

Debe cumplirse: Z_C < Z_S//Z_L (Z_C = 1/2πfC). Un malentendido común: mientras Z_C < Z_L, se logra filtrado. En realidad, parámetros no pueden determinarse sin decidir Z_S y Z_L.

En circuito alta velocidad, ni Z_S ni Z_L son resistencia pura, requieren valores complejos. Z_C no es capacitancia pura; resistencia serie equivalente (ESR) e inductancia serie equivalente (ESL) deben considerarse. Todas son dificultades en aplicación de capacitancia filtrado en sistemas alta velocidad. Si diseñadores ignoran esto, habrá diferencias obvias entre cálculo/simulación y práctica.

Encapsulado de silicio (Silicon Packaging)

Diseñadores PCB tienden a centrarse en layout e interconexiones entre componentes en PCB, ignorando importancia del encapsulado de componente. Esto puede producir resultados serios en diseño PCB alta velocidad. El encapsulado de silicio influye en rendimiento a través de inductancia parásita, resistencia parásita y capacitancia parásita en líneas de conexión y terminales. Estos parámetros generan ruido, retardo de comunicación, tasa de borde (edge rate) y respuesta de frecuencia. Parámetros parásitos de diferentes encapsulados pueden diferir mucho. Para silicio con mismo circuito y diferente encapsulado, rendimiento muestra características diferentes.

En sistemas alta velocidad, diseño de silicio, diseño de encapsulado y diseño a nivel placa nunca son independientes. En flujo de diseño silicio, paquete adecuado debe elegirse según PCB. Layout general de diseño silicio influenciado por técnicas y elementos nivel placa. Para encapsulado silicio, su coincidencia con PCB es elemento obligatorio. Lo más importante, paquete adecuado ayuda mucho en integridad nivel placa y problemas EMC/EMI. Por tanto, encapsulado silicio nunca debe ignorarse ni menospreciarse.

Interferencia por radiación de corriente de modo común

En pistas de transmisión de señal PCB, existe corriente modo diferencial (transmite señales útiles) y corriente modo común (sin info útil), ambas generan radiación EMI.

Por su corriente relativamente alta, corriente modo diferencial ha sido enfatizada por diseñadores con formación de teoría y técnicas controlando su radiación EMI. Algunas herramientas EDA tienen simulación y predicción de radiación EMI modo diferencial. Pero comparada con modo diferencial, corriente modo común es mucho menor, llevando a ignorar su radiación EMI.

Sin embargo, investigaciones recientes muestran que aunque corriente modo común es mucho menor, la interferencia EMI generada por la primera es mucho mayor que por la segunda. Hasta ahora, radiación EMI modo común se ha convertido en una de las principales fuentes de interferencia en placas avanzadas alta velocidad. Peor, generación de radiación EMI modo común tiene razones complejas; ni simulación ni predicción son posibles. Investigación sobre control aún en camino.

Por tanto, al diseñar PCB alta velocidad, no es fiable simular y predecir radiación EMI basándose solo en radiación EMI modo diferencial.

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