Was sind Guard-Leiterbahnen im PCB-Design und funktionieren sie?

Abschirmleiterbahnen in einem PCB-Layout sind ein weiteres Thema, bei dem es weiterhin viele widersprüchliche Informationen gibt. Es gibt viele verschiedene Verweise auf deren Verwendung. Es herrscht Verwirrung darüber, welche Arten von Designs – analoge Schaltungen, Mixed-Signal oder digital – angeblich am meisten von der Verwendung von Abschirmleiterbahnen profitieren; wie Abschirmleiterbahnen EM-Felder blockieren; die Wichtigkeit, dass die Enden der Leiterbahnen frei, an einem Ende geerdet oder an beiden Enden geerdet sind und welche Arten von Leiterbahnen am meisten von der Verwendung von Abschirmleiterbahnen profitieren – Microstrip oder Stripline. Dieser Artikel wird all diese Themen ansprechen und Daten von echter Hardware präsentieren, die dokumentieren, warum Abschirmleiterbahnen, unabhängig von ihrer Implementierung, keinen echten Wert bieten und warum die Höhe der Leiterbahn über der Ebene und die Trennung der Leiterbahnen die beste Methode zur Kontrolle von Übersprechen ist.

Die Ursprünge von Abschirmleiterbahnen

Abschirmleitungen haben tatsächlich einen gewissen Wert in speziellen Produktimplementierungen, insbesondere bei solchen, die eine extrem hohe Impedanz, ein rauscharmes analoges PCB-Design und eine sehr geringe Stromquelle aufweisen. Zum Beispiel bei einem EKG-Gerät, das eine hohe Impedanz und niedrige Frequenz hat, besteht das Risiko einer kapazitiven Kopplung von außen in die Leiterbahn. Das Signal ist so schwach, dass es nicht viel von außen braucht, um es zu stören. In diesem Fall kann eine Abschirmleitung um die Signalleitung herum die kapazitive Kopplung unterdrücken. Wie sieht es also mit analogen im Vergleich zu digitalen Designs aus? Es ist schwierig, den Wert einer Abschirmleitung im Vergleich zu keiner Abschirmleitung zu bewerten, basierend darauf, ob ein Produkt ein analoges oder digitales Gerät ist. Die Situation basierend auf dem Begriff analog zu definieren, ist viel zu allgemein. Zum Beispiel ist ein leistungsstarker Audioverstärker ebenfalls analog.

Das Gleiche gilt auch für Mixed-Signal-Designs und ob sie als gute „Ziele“ für Schutzleiter klassifiziert werden können. Die Implementierung eines Mixed-Signal-Produkts beginnt mit einem analogen Signal, das an einem bestimmten Punkt in ein digitales Signal umgewandelt wird. Dies wird durch A/D-Wandler erreicht und dies ist die übliche Definition eines Mixed-Signal-Produkts. In den heutigen Produktimplementierungen sind alle Radios im Inneren digital, sogar die RF-Teile. RF-Digitalschaltungen bestehen nicht mehr aus L (induktiven) und C (kapazitiven) Netzwerken. Zum Beispiel findet man in einem Mobiltelefon keine Ls und Cs. Die Antennen führen direkt in einen Chip, der das Signal sofort von analog auf digital umwandelt, auch bei sehr hohen RF-Frequenzen. Es sollte auch beachtet werden, dass in den verschiedenen Informationsquellen über die Verwendung von Schutzleitern, die derzeit im Umlauf sind, sowohl Nah- als auch Fernnebensprechen erwähnt werden. In der digitalen Welt ist das Nebensprechen von Bedeutung das rückwärtige Nebensprechen. Dies wird in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Vorwärts- und Rückwärtsnebensprechen vs. Länge

Was ist ein Schutzleiter?

Die ganze Idee hinter Schutzleitungen besteht darin, dass, wenn man eine Schutzleitung zwischen zwei Übertragungsleitungen platziert, man das EM-Feld zwischen den beiden blockiert und das unerwünschte Übersprechen zwischen ihnen unterdrückt. In Wirklichkeit erhöht das Einfügen einer Schutzleitung zwischen zwei Übertragungsleitungen den Abstand zwischen ihnen, und es ist diese Abstandserhöhung, die das Übersprechen reduziert, nicht die Schutzleitung selbst. Wenn ein Draht ein EM-Feld stoppen könnte, würde ein Transformator nicht funktionieren. Es wird erwartet, dass, wenn die Energie an diesem Draht vorbeigeht, ein Teil davon unterwegs aufgenommen wird. Davon hängen wir ab, um einen Transformator zu machen. Der Draht stoppt nicht das magnetische Feld.

Die Leiterbahn ist ein verteiltes LC-Netzwerk, das bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz gehen kann. Wenn die Geometrie passend ist, kann sie bei einer für das Design interessanten Frequenz in Resonanz gehen und einen Bandpassfilter erzeugen, der das Übersprechen nicht reduziert, sondern erhöht. Abbildung 2 zeigt ein solches Design. Dies ist das Artwork für ein gescheitertes Supercomputer-Backplane, das Ende der 1980er Jahre gebaut wurde. Die Ingenieure des Projekts waren besorgt, dass die Impedanz der Backplane-Übertragungsleitungen die Treiber überlasten könnte. Um dies zu verhindern, wurde die Impedanz der Backplane auf 70 Ohm eingestellt. Die Designer der Backplane fügten Schutzleiterbahnen ein, um unerwünschtes Übersprechen zu kontrollieren. Die Länge der Schutzleiterbahnen war so, dass sie bei der Taktfrequenz des Computers in Resonanz gingen. Das Ergebnis war eine unerwünschte Kopplung zwischen den Signalen, die seitlich über die Backplane propagierten und den Computer instabil machten. Die Lösung war, das Design zu verwerfen und von vorne zu beginnen. Keine gute Idee, wenn man versucht, kritische Markteinführungszeiten zu erreichen und die gesamten Produktentwicklungskosten zu kontrollieren.

Es sollte auch beachtet werden, dass in den heutigen Internetprodukten die PCBs so voll mit Schaltkreisen und Signalbahnen sind, dass kein Platz für Schutzleiterbahnen ist. Sie sind eine physische Unmöglichkeit.

Abbildung 2. Backplane-Bus mit „Schutz“-Leiterbahnen

Zu welchem Zweck kontrolliert eine Schutzspur das Übersprechen?

Es gibt eine erhebliche Menge an Informationen darüber, wie die Art und Weise, wie Schutzspuren abgeschlossen werden, ihre Wirksamkeit bei der Kontrolle von Übersprechen erhöht. Die Optionen sind: freischwebende Schutzspuren; Schutzspuren, die an einem Ende abgeschlossen sind und Schutzspuren, die an beiden Enden abgeschlossen sind. In Wirklichkeit, unabhängig davon, wie die Schutzspuren abgeschlossen sind, sind sie alle resonante LC-Netzwerke und können einen Bandpassfilter erstellen und keiner von ihnen tut das, was behauptet wird.

Weiterhin bedeutet das Verbinden beider Enden einer Spur mit einer Masseebene nicht, dass die Spur zu „Masse“ hinzugefügt wurde, noch ist sie in der Lage, das EM-Feld zu blockieren. Drähte jeglicher Art, egal wie ihre Enden verbunden sind, blockieren keine EM-Felder. Es ist der Abstand zwischen den Spuren, der bestimmt, wie Übersprechen kontrolliert wird. Abbildung 3 zeigt, wie die Erhöhung des Abstands zwischen zwei Leitungen der Weg ist, um Übersprechen zwischen diesen Leitungen zu kontrollieren.

Abbildung 3. Rückwärtsübersprechen vs. Kantenabstand und Höhe über der nächsten Ebene

Es wird auch behauptet, dass eine Schutzspur in einer Streifenleiterkonfiguration nur dann wirksam ist, wenn sie genau die Länge der gekoppelten Länge hat. Auch die geometrischen Eigenschaften der Schutzspur haben keinen Einfluss auf ihre Fähigkeit, das Übersprechen zu kontrollieren, da der Raum zwischen den Leiterbahnen bestimmt, wie gut die Kopplung gemindert wird.

PCB-Schutzspuren: Mikrostreifen vs. Streifenleitung

Einige Quellen weisen darauf hin, dass die Wirksamkeit von Schutzspuren bei Mikrostreifen- im Vergleich zu Streifenleitungstopologien unterschiedlich ist, mit dem Ergebnis, dass Schutzspuren für Mikrostreifentopologien nicht wirksam sind, aber für Streifenleitungstopologien wirksam sind, solange beide Enden der Schutzspur geerdet sind. Da die Terminierung oder das Fehlen einer Schutzspur irrelevant ist, ist auch ihre Wirksamkeit in jeder Konfiguration irrelevant.

Funktionieren Schutzspuren?

Das Verständnis darüber, was das Übersprechen kontrolliert, führt zurück zum Verständnis der grundlegenden Regeln der Physik und wie EM-Felder funktionieren.

Klassisches Routing hatte immer 5 mil Linien und 5 mil Abstände. Sie können diesen Abstand zusammen mit einer 5-mil Höhe über der Ebene haben. Dies ist die Konfiguration, die Sie auf einer vierlagigen PCB wie einem PC-Motherboard haben würden. Dies würde Ihnen 8% Übersprechen geben. Wenn Sie das nicht wollten und eine Schutzspur einfügten, müssten Sie die Übertragungsleitungen kanten-an-kante um 15 mil trennen. Dies reduziert das Übersprechen auf 0,8%. Das ist eine Reduktion des Übersprechens um das 10-fache und es wird angenommen, dass es auf die Schutzspur zurückzuführen ist. Tatsächlich ist es der Raum zwischen den Leitungen, der die Kopplung reduziert hat, nicht die Schutzspur. Sobald die Physik der Trennung verstanden ist, ist es einfach, PCBs so zu entwerfen, dass Übersprechen als Teil dieses Designprozesses intrinsisch kontrolliert wird.

Beim Entwerfen einer PCB zur Kontrolle von Übersprechen möchten Sie sicherstellen, dass die Übertragungsleitung über eine durchgehende Ebene verläuft und nicht zwingend als DC-Masse bezeichnet werden muss. Es könnte eine Vdd-Ebene sein. Auf diese Weise befindet sich die Energie zwischen der Leiterbahn und der Ebene. Je näher die Ebene an der Übertragungsleitung ist, desto besser stellen Sie sicher, dass die Energie zwischen der Leiterbahn und der Ebene und nicht zu benachbarten Leiterbahnen geht. Idealerweise beginnen Sie Ihren PCB-Stackup-Prozess, indem Sie die Leiterbahn so nah wie möglich an der Ebene platzieren. Dann wählen Sie eine Zahl, die herstellbar ist. In den meisten Fällen ist es nicht möglich, näher als 4 Mil zu kommen. Daher beginnen Sie bei 4 Mil und dann setzen Sie die Trennung für das Übersprechziel und die Leiterbahnbreite für das Impedanzziel fest.

Wie bewerten Sie all die Daten zu Schutzleiterbahnen, die es gibt?

Es gibt viele Daten in der Industrie, die angeblich alle Schlussfolgerungen unterstützen, die in Bezug auf die Wirksamkeit von Schutzleiterbahnen gemacht wurden. Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass die angebotenen Simulationen und Gleichungen auf Theorie und nicht auf tatsächlichen Ergebnissen in Hardware basieren. Simulationen haben ihren Wert, aber nur wenn sie mit tatsächlichen physischen Leiterplattenbeweisen untermauert sind, können sie als korrekt angesehen werden.

Kontrollieren Schutzleiter überhaupt das Übersprechen?

Schutzleiter auf Leiterplatten, unabhängig von ihrer Implementierung und Terminierung, kontrollieren das Übersprechen nicht. Tatsächlich können Schutzleiter, da sie Bandpassfilter erzeugen können, das Übersprechen tatsächlich erhöhen und nicht reduzieren. Ein gutes Verständnis der Grundlagen der Physik und der Funktionsweise von elektromagnetischen Feldern ist Ihre beste Waffe, um das Übersprechen zu reduzieren.

Haben Sie weitere Fragen? Rufen Sie einen Experten bei Altium an oder informieren Sie sich darüber, wie Sie mit Altium Designer^® Übersprechen vermeiden können.

Referenzen:

1. Ritchey, Lee W. und Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volume 1.“