Switchback-Routing verglichen mit Serpentine-Traces-Routing für maximale Dichte

Sind Sie schon mal über einen kurvenreichen Gebirgspass gefahren? In meiner Studienzeit gab es eine Nebenstraße, die sich beim Anstieg auf einen kleinen Berg hin und her schlängelte. Diese Art, Straßen anzulegen, wird auch zum Verlegen von Leiterbahnen auf Leiterplatten/PCBs verwendet. Dieser Routing-Stil, Switchback-Routing genannt, kann zur Längenanpassung/Verzögerungsanpassung als Ersatz für oder neben anderen Längenabstimmungsstilen verwendet werden.

Bei all den verschiedenen Längenabstimmungs- und Routing-Stilen, die in PCB-Design-Tools verfügbar sind, ist es vielleicht nicht offensichtlich, wann Switchback-Routing eine bessere Wahl ist als andere Längenabstimmungsstile. Einige Komponentenhersteller empfehlen sogar ausdrücklich die Verwendung von Switchback-Routing oder Trombone-Routing für ihre Komponenten. Werfen wir einen Blick auf Switchback Routing- und Layout-Stile und auf einige der Vorteile, die diese bieten.

Was ist Switchback-Routing?

Switchback-Routing ist eine Form des Layouts und der Längenoptimierung von PCB-Leiterbahnen, bei der die Leiterbahn auf ihrem Weg zum Ziel in einer Reihe von Kehrtwendungen verlegt wird. Switchback-Routing wird manchmal als Akkordeon-Routing oder Trombone-Routing bezeichnet. Manchmal wird es auch synonym für Serpentinen-Routing verwendet. Wenn Sie sich einige Switchback-Routing Stile ansehen, werden Sie einige interessante hin- und hergehende Leiterbahnmuster erkennen, die anders aussehen, als die typischen Trombone- und Serpentinen-Routing Stile.

Der nächstliegende Ersatz für das Switchback-Routing ist das typische Serpentinen-Routing, bei dem die Leiterbahnen quer (senkrecht) zur Leiterbahnrichtung mäandert werden. Beim Switchback-Routing werden aufeinanderfolgende Kehrtwendungen (U-Turns) verwendet, um die Leiterbahnlänge in Längsrichtung zu mäandern, und nicht in Querrichtung wie beim Serpentinen-Routing. Mit hochwertigen CAD-Tools können Sie beide Routing-Stile verwenden, um die Leiterbahndichte zu erhöhen oder zur Verzögerungs-/Längenabstimmung paralleler Signalnetze.

Jeder Routing-Stil bietet ein paar besondere Vorteile in Bezug auf Kopplung, Leiterbahndichte und Signalintegrität. Bei hochkomplexen Leiterplatten/PCBs ist es nicht ungewöhnlich, eine Mischung aus Serpentinen-, Trombone- und Switchback-Routing-Stilen zu finden, in dem Bestreben, die Leiterbahnen in den kleinstmöglichen Raum zu packen. Das folgende Bild zeigt genau eine solche Mischung dieser verschiedenen Routing-Stile für eine LPDDR3-Speicherschnittstelle.

Verwendung von Switchback-Routing verglichen mit Serpentinen-Routing

Beim Durchsehen von Anwendungshinweisen für verschiedene Komponenten oder von Designregeln, finden Sie vielleicht einige Richtlinien für die Bemessung eines Switchback-Routing Musters. In einigen dieser Anwendungshinweise wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Sie Switchback-Routing (und nicht eine andere Art der Längenabstimmung) verwenden müssen, um die Längenabstimmung und Verzögerungsabstimmung am Empfänger für differentielle Paare oder über eine parallele Schnittstelle sicherzustellen.

Vorteile von Switchback-Routing

Ein Hauptvorteil von Switchback-Routing im Vergleich zum Serpentinen-Routing besteht darin, dass es den Ausgleich von Versatz durch eine kürzere erforderliche Längenabstimmung ermöglicht. Das Beispielbild unten zeigt längenabgestimmte Switchback- und Serpentinen-Routing Muster. Diese beiden Muster sind so konzipiert, dass sie die gleiche Menge an Versatz kompensieren und gleichzeitig eine maximale Routing-Dichte gewährleisten, indem die Längenabstimmungssegmente gestaffelt werden. Das Switchback-Muster erfordert eine kürzere Gesamtlänge als das Serpentinenmuster für eine vorgegebene Höhe der Versatzausgleichsanforderung.

Bei längenabgestimmten parallelen Bussen wird man in der Regel eine Mischung aus beiden Ansätzen verwenden, um den gesamten Routing-Bereich für den Bus einigermaßen klein zu halten, wie z. B. das oben abgebildete parallele Schnittstellen-Routing.

Nachteile des Switchback-Routing bei differentiellen Paaren

Beachten Sie, dass das Switchback-Routing nicht immer die beste Wahl für differentielle Paare ist, insbesondere wenn die Paare eng beieinander liegen und die Bezugsmasse in einem dickeren Dielektrikum weiter entfernt ist. Während Sie die Gesamtlänge der Leiterbahn kürzer halten können, wendet jeder Teilbereich, der für die Längenabstimmung verwendet wird, eine Impedanzdiskontinuität an, und die Größe der Diskontinuität hängt vom Abstand zwischen den geraden Abschnitten des differentiellen Paares ab. Innerhalb des längenabgestimmten Teilbereichs ist die Impedanz im ungeraden Modus in diesem Bereich etwas höher als in den eng aneinanderliegenden Teilbereichen.

Ich habe die Gründe für die Impedanzabweichung im ungeraden Modus in diesem Artikel besprochen.

Es gibt auch ein Problem der Modusumwandlung, das jedes Mal auftritt, wenn Sie eine Asymmetrie entlang eines differentiellen Paares haben. Innerhalb des Switchback-Bereichs schaltet die erforderliche Kupplung zwischen Gegentakt und Gleichtakt um, wenn das Signal den Switchback-Bereich durchquert. Die Modusumwandlung bewirkt, dass eine Gleichtaktstörung am Empfänger als Differenzialrauschen erscheint, und dieser Anteil der Umwandlung wird bei höheren Frequenzen größer.

Wenn im Switchback-Bereich ein Geräusch induziert wird, wird es möglicherweise nicht als Gleichtaktstörung am Empfänger angesehen. Selbst wenn die Switchback-Bereiche nicht gestaffelt sind, ist eine enge Kopplung schwer aufrechtzuerhalten, es sei denn, die Switchback-Bereiche liegen eng beieinander und folgen einander über die gesamte Länge des Paares. Die Verwendung eines Serpentinen-Längenabstimmungsschemas zum Abgleichen von Leiterbahnen in einem differentiellen Paar ist eine bessere Wahl als Serpentinen, es sei denn der verfügbare Platz entlang der Leiterbahn stellt eine Herausforderung dar. Sie opfern die Dichte im Tausch für eine stärkere Unterdrückung der Gleichtaktstörung und eine geringere Modusumwandlung.

Halten Sie die Längenabstimmung allgemein minimal

Um es kurz zusammenzufassen, gibt es zwei Gründe, Längenabstimmungsbereiche überall, wo es möglich ist, kurz zu halten:

1. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Impedanz über die gesamte Länge
2. Um eine Modusumwandlung zu verhindern

Beide Effekte lassen sich im Zeitbereich mit einer TDR-Leiterbahn (Time-Domain Reflectometry) oder in Simulationsergebnissen erkennen. Jeder Feldlöser, der direkt mit Ihren Layout-Daten arbeitet, kann Ihnen diesen Effekt aufzeigen. In einer TDR-Leiterbahn ist aufgrund von Reflexionen eine kapazitive Impedanzunterbrechung an der Struktur zu sehen. Eine Verkleinerung des Abstands zwischen den einzelnen Rückkopplungsabschnitten erhöht diese kapazitive Impedanzunterbrechung. Dieser Punkt sowie die in Serpentinen erzeugten Verzerrungen sollten die komplexe Natur dieser Strukturen und die verschiedenen Kompromisse veranschaulichen, die beim Switchback-Routing auftreten:

• Kürzere Verzögerungsstrukturen verringern die Verzerrung, aber es gibt eine größere Impedanzdiskontinuität, wenn der Abstand zwischen den einzelnen Kehrtwendungen kleiner ist.
• Eine Verzögerungsstruktur kann mit geringeren Abständen länger gemacht werden, um eine Impedanzdiskontinuität zu verringern, jedoch es kann zu einer gewissen Verzerrung kommen.

Offensichtlich stehen diese Faktoren in Konkurrenz mit der Notwendigkeit, den Versatz zu verringern und die Abstimmung des Signalhubs sicherzustellen. Es könnte zu zusätzlichem Versatz zwischen den beiden Leiterbahnen eines differentiellen Paares kommen. Aber durch eine enge Längenabstimmung stellen Sie sicher, dass die Verbindung diesen zusätzlichen Versatz dennoch übersteht.

Crosstalk/Übersprechen in single-ended Switchback-Strukturen

Offensichtlich beinhalten sowohl die Serpentinen- als auch die Switchback- Routing-Variante dieselbe U-Turn-Struktur, und der Längenabstimmungsbereich kann als Kopplungsbereich für das Nahnebensprechen (NEXT) oder das Fernnebensprechen (FEXT) dienen, wenn ein schnelles Signal in die Verzögerungsstruktur eintritt. NEXT verfügt sowohl bei Mikrostreifen als auch bei Streifenleitern über einen begrenzten Kopplungsbereich, aber in beiden Fällen kann der Abstand zwischen den beiden Netzen durch eine Struktur zur Längenabstimmung verringert werden. Das Ergebnis ist ein starkes Übersprechen in diesem Bereich. Wenn das Signal schnell genug und der Kopplungsbereich lang genug ist, kann die Kopplung ein maximales Übersprechen in diesem Bereich erzeugen.

Dies ist ein weiterer Grund, warum es besser ist, differentielle Paare über dünnere Dielektrika mit einer Bezugsmasse auf dem benachbarten Layer zu routen. Obwohl es technisch möglich ist, ein differentielles Paar über einen Bereich ohne Masse zu routen, solange die Paare eng beieinander liegen, hat die Massefläche die wichtige Funktion, die Leiterbahninduktivität und damit den induktiv gekoppelten Anteil des Übersprechens zu reduzieren. Dies gilt für jede Art von Leiterbahn-Strukturen (Switchback oder Serpentinen).

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