Consejos probados de layout PCB alta velocidad para diseños fiables

La mayoría de diseños PCB comienzan con un esquemático correcto y verificado. El trabajo duro de convertir el esquemático en PCB final debe emprenderse. A menudo, la PCB falla aunque el diseño original se haya hecho con cuidado. Incluso si un esquemático se verificó con simulación, esta no tiene en cuenta que los detalles del layout PCB pueden insertar fuentes imprevistas de error. Esto es especialmente cierto con componentes nuevos de mayor velocidad y sus velocidades de reloj asociadas. Además, las velocidades de transferencia de datos entre dispositivos aumentan continuamente y están sujetas a mismos tipos de errores. Estos aumentos permiten que pequeños valores de capacitancia e inductancia inherentes al layout PCB causen fallo en la implementación.

Junto con asegurar funcionalidad, requisitos adicionales sobre tolerancia a ruido radiado y cantidad de ruido emitido son cruciales para aprobar diseño final. Por tanto, al desarrollar tu próxima aplicación PCB con señales alta velocidad, gran cuidado debe tomarse para mitigar problemas de interferencia electromagnética.

Ejemplos señales alta velocidad: señales de reloj y puertos comunicación alta velocidad. Con reglas simples, la integridad de señal y niveles EMI de tu próximo diseño pueden mejorarse - sin modelos matemáticos complejos ni herramientas de simulación involucradas y caras. Este artículo presenta reglas simples para asegurar éxito en tu próximo diseño con señales alta velocidad.

Fundamentos

Discutiremos fuentes de errores en layout alta velocidad y conceptos relacionados; la siguiente sección dará reglas generales para mitigarlos.

1. Interferencia electromagnética (EMI) y compatibilidad electromagnética (EMC)

EMI es ruido de radiofrecuencia que interfiere con operación de dispositivo. EMC se refiere a limitar niveles de EMI que un dispositivo emite. Todos los dispositivos emiten y absorben cierto grado de EMI. Objetivo del diseñador PCB: reducir ambas a niveles razonables. Nota: existen estándares FCC y CISPR para niveles EMI permitidos.

2. Señales de reloj

Señales de reloj, usadas para impulsar microprocesadores y puertos comunicación, deberían ser onda cuadrada perfecta pero no lo son. Son combinación de señales en frecuencia nominal y armónicos por encima. Por tanto, EMI debe considerarse tanto en frecuencia del reloj como en armónicos por encima.

3. Líneas de transmisión

En frecuencias altas, efectos de línea de transmisión entran en juego incluso a nivel PCB. Cuando frecuencia de línea de señal causa longitud de onda en orden de traza PCB asociada, la impedancia característica de la traza debe considerarse para prevenir reflexiones por desajuste de impedancia. En sentido general, el diseñador debe igualar impedancia de trazas asociadas a transceptores que conectan. Microstrip (traza ancho definido sobre plano potencia) o stripline (traza entre dos planos potencia) son formas comunes de controlar impedancia en línea transmisión PCB.

Común que transceptores tengan entradas alta impedancia. En este caso, traza de conexión debe terminar igualando impedancia característica de la línea transmisión. Hay varias técnicas de terminación comunes; investigarlas queda al lector, fuera de alcance.

4. Diafonía (Crosstalk)

Cuando dos trazas están juntas, se acoplan inductiva y capacitivamente (diafonía), permitiendo que una comprometa a la otra. Forma básica de eliminar: separar trazas mayor distancia. También mitigable con planos potencia para suprimir niveles.

5. Señales diferenciales

Otra forma de lidiar con ruido en ruta comunicación: señales diferenciales. Son iguales y opuestas en potencial. Dos trazas transportan señal entre dispositivos; valor determinado por diferencia de potencial, no potencial absoluto. Esto deja señales diferenciales inmunes a diafonía y efectivamente inmunes a ruido radiado.

6. Corriente de retorno y áreas de bucle

En layouts alta frecuencia, debe considerarse ruta de retorno de señal. En CC, ruta retorno = menor resistencia; en CA, = menor impedancia. Resultado: ruta retorno de señal alta frecuencia estará directamente junto a traza de dicha señal. Normalmente no hay problema si traza señal enruta sobre plano tierra, pero puede serlo si plano tierra se rompe bajo traza. Resultado: ruptura en ruta retorno crea bucle. Bucles deben evitarse: son radiadores EMI mucho más efectivos y afectan negativamente EMC.

Consejos prácticos de diseño

Tras discutir fuentes de ruido señal alta velocidad, pasamos a consejos específicos de layout.

Antes de tu próximo diseño PCB alta velocidad, revisa requisitos generales. Preguntas clave: ¿Cuál es la frecuencia más alta? ¿Necesitas microstrip o stripline para supresión ruido requerida? ¿Cuáles son señales sensibles? ¿Tolerancias mínimas del fabricante? ¿Interconexiones sensibles entre grupos funcionales? Con respuestas, se determina vista general del stackup y composición.

1. Stackup (Apilado) de placa

Consideración básica para nuevo diseño: stackup PCB. Sin señales sensibles, PCB 2 capas estándar puede bastar. Si requieres enrutar como stripline, necesitas stackup 6 capas. PCB 4 capas es buena opción intermedia.

Otra consideración: si puedes crear stackup con planos potencia muy juntos, reduces necesidad de condensadores desacoplamiento valores pequeños. Finalmente, si ubicas fuentes y sumideros de señal alta velocidad cerca en PCB, eliminas gran parte de EMI/EMC relacionada.

2. Planos de potencia y tierra

Requisito básico para diseño alta velocidad: plano tierra completo. Incluir plano potencia completo también beneficia, pero requiere stackup 4+ capas. Beneficio adicional: ubicar trazas señal muy cerca de planos potencia, informando stackup final.

Al dividir partes de plano potencia, recordar que señales alta velocidad tienen corriente retorno que sigue menor impedancia, no resistencia. Cuidado: no romper ruta retorno entre fuente y sumidero. Si debes romper plano tierra, evita enrutar trazas señal sobre la ruptura. Si lo haces, reconectar plano tierra junto a traza con resistencia 0 Ω. En resumen: usar planos tierra y potencia lo más uniformes e ininterrumpidos posible.

3. Temas adicionales

Condensadores desacoplamiento importantes para crear caminos baja impedancia a tierra y potencia para señales alta frecuencia. Generalmente, necesitas varios valores de condensador para suprimir ruido alta frecuencia en rango de frecuencias. Al colocar condensadores, el de menor valor más cerca del dispositivo a proteger, luego valores mayores. Asegurar que condensador está entre dispositivo y plano potencia que desacopla. Esto asegura que dispositivo está realmente desacoplado.

Otros consejos generales:

• Redondear esquinas de trazas reduce EMI radiado. Cambios bruscos aumentan capacitancia y causan reflexiones alta velocidad.
• Minimizar diafonía entre trazas señal, incluidas en diferentes planos: cruzar en ángulo recto.
• Evitar vias en trazas señal. Vias cambian impedancia característica y causan reflexiones. Si necesitas vias en trazas diferenciales, colocarlas en ambas para igualar efecto.
• Considerar stub creado por vias. Considerar vias ciegas o enterradas (buried) en lugar de convencionales.
• Considerar retardos en solución reloj distribuido. Evitar ramificaciones e igualar longitudes trazas desde reloj a dispositivos conectados. A menudo aconsejable usar driver de reloj.

Recursos útiles

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