¿Puedes enrutar señales digitales en un diseño de PCB de 2 capas?

Las PCBs de 2 capas son el mejor amigo de un aficionado. Son fáciles de definir en tu software de diseño y el enrutamiento es sencillo si el número de redes es lo suficientemente bajo. Aunque normalmente no trabajo en proyectos que se puedan realizar solo con 2 capas, aún es importante saber cómo usar estas tarjetas correctamente. Si eres ingenioso, incluso puedes usar estas tarjetas para enrutar algunas interfaces de alta velocidad.

En este artículo, quiero ver algunas de las reglas importantes para diseñar una PCB de 2 capas que utilizará una interfaz serie de alta velocidad. Algo como USB o SPI se puede hacer fácilmente en una placa de circuito de 2 capas siempre que se sigan algunas reglas básicas de enrutamiento. Lo que presentaré a continuación debería ser un punto de partida para el enrutamiento de señales digitales en un diseño de PCB de 2 capas.

Un punto a tener en cuenta: no deberías abordar un proyecto de 2 capas con la expectativa de que esta placa pasará las pruebas de EMC. Asegurar la EMC dependerá de muchos factores relacionados con la alimentación, la conexión a tierra, tu carcasa, qué componentes y circuitos están en la placa, y muchos otros factores. Esperamos que esto te brinde una buena introducción sobre cómo puedes lograr la parte de enrutamiento del diseño de una PCB de 2 capas sin crear problemas de integridad de señal.

Comenzando con Placas Digitales de 2 Capas

Los diseños de PCB de 2 capas son interesantes ya que suelen ser el nivel de entrada para la mayoría de los diseñadores. La mayoría de los diseños que involucran un MCU de velocidad moderada (quizás un tiempo de subida de 5-10 ns), un bus serie común como SPI, y interfaces digitales de alta velocidad más simples pueden funcionar perfectamente en una placa de 2 capas siempre y cuando no sean demasiado densas y no rompas algunas reglas básicas de enrutamiento. Sin embargo, estos diseños a menudo rompen muchas reglas de integridad de señal y crean/reciben EMI excesiva. Como resultado, la placa podría funcionar técnicamente como pretendías, pero podría nunca pasar las pruebas de EMC, por lo que no podrías venderla.

Primero lo primero, hay algunos puntos en los que pensar en un diseño de placa de 2 capas que utiliza señales digitales:

• Control de impedancia: ¿Alguna de tus interfaces requiere control de impedancia? Si es así, solo recuerda que puede ser difícil cumplir con los requisitos de impedancia en un espesor estándar de PCB para señales de extremo único.
• Longitud de traza: Dado que no podemos cumplir con los requisitos de control de impedancia en una placa de 2 capas, tendremos que mantener las longitudes de traza por debajo de alguna longitud crítica. Algunas interfaces son muy tolerantes con la impedancia y tienen longitudes críticas largas, pero necesitarás calcular un límite de longitud.
• Acceso a tierra: Para asegurar baja diafonía y baja EMI en tu enrutamiento digital, necesitarás proporcionar acceso a tierra con un camino de retorno claro.
• Conteo de partes/red: En una placa de 2 capas, tienes espacio limitado para el enrutamiento, por lo que no puedes tener demasiadas partes. Tan pronto como intentes incluir demasiadas partes y haya mucho cruce en tu enrutamiento, tendrás que pasar a una placa de 4 capas, o tendrás que hacer tu placa de 2 capas demasiado grande.

Señales digitales e impedancia

Al trabajar con lógica digital, especialmente en una placa de 2 capas, es importante notar que no todas las señales digitales tienen un requisito de impedancia. A veces, si lo tienen, puedes violarlo y la interfaz funcionará bien. Esto es importante en una placa de 2 capas porque, si solo quieres enrutar microstripes, el ancho de tus trazas necesita tener un valor específico para alcanzar un objetivo de impedancia.

Normalmente, el objetivo de impedancia que verás para señales digitales será el siguiente:

• Algún requisito de impedancia de extremo único, donde la señal se toma de forma aislada
• Algún requisito de impedancia diferencial para pares diferenciales, donde las señales deben ser enrutadas juntas

Como ejemplo, consideremos una placa de 2 capas con un grosor estándar de núcleo de 62 mil (Dk = 4.8). Si queremos alcanzar el objetivo de impedancia estándar de 50 Ohmios, entonces necesitamos tener un ancho de traza de casi 110 mils. ¡Este es un ancho de traza enorme y es mucho mayor que el tamaño del pad de cualquier componente digital que colocarás en una placa real! Para determinar esto, utilicé una calculadora de impedancia de microstrip en línea basada en las fórmulas del IPC 2141.

Las calculadoras en línea no dan los resultados más precisos, pero el resultado anterior ilustra un punto importante: no puedes posiblemente hacer control de impedancia para trazas aisladas de extremo único en una PCB de 2 capas y esperar que todo quepa en el diseño. Obviamente, esto eliminaría el uso de DDR para memorias, que incluye trazas de extremo único con señales de alta velocidad y longitudes eléctricas muy pequeñas.

Este es el punto en el que necesitamos establecer un límite de longitud para tus trazas si estamos utilizando una interfaz de impedancia controlada. Cuando la distancia recorrida por la señal durante su tiempo de subida es mucho más larga que la longitud de la traza, entonces la impedancia de la traza no importa. En este caso, la señal solo ve la impedancia de la carga durante la propagación. El límite exacto de longitud depende de múltiples factores, pero una regla muy conservadora es establecer un límite de longitud de traza de 1/10 de la distancia recorrida por la señal.

Como ejemplo, usemos el retraso de propagación en la imagen anterior con una señal de tiempo de subida de 5 ns. En el caso anterior, la velocidad de propagación es de aproximadamente 6.8 pulgadas/ns. Entonces, esto significa que si tenemos una señal de tiempo de subida de 5 ns, entonces la señal viajará 34 pulgadas durante su tiempo de subida, por lo que nuestra longitud máxima de traza sería 1/10 de esto, o 3.4 pulgadas. De hecho, podemos ser un poco menos conservadores que un límite de longitud de 1/10. Si establecemos un límite de longitud de 1/4, tendríamos una longitud máxima de traza de 8.5 pulgadas antes de que necesitemos comenzar a preocuparnos por la impedancia de las trazas.

Dependiendo de cuánta violación de impedancia puedas tolerar en el extremo receptor de tu canal, definitivamente tendrás cierta libertad para implementar una placa de 2 capas con un protocolo digital típico siempre y cuando las longitudes sean cortas.

¿Qué pasa con la impedancia diferencial?

Como estoy seguro de que los lectores sabrán, la mayoría de las interfaces de alta velocidad se preocupan por la impedancia diferencial, no solo por la impedancia de extremo único. Como vimos anteriormente, una traza de extremo único necesitaría ser inaceptablemente grande para alcanzar un valor de impedancia de 50 Ohmios que verás en la mayoría de las especificaciones. ¿Cómo podemos alcanzar un valor de impedancia diferencial en una placa de 2 capas cuando el requisito de ancho de traza de impedancia característica es tan grande?

Algunas interfaces pueden ser enrutadas como trazas de extremo único con longitudes emparejadas, o ¡como pares diferenciales estrechamente acoplados! USB es un ejemplo perfecto: el esquema de terminación trata cada extremo del par individualmente como una traza de extremo único, así que todavía tenemos que cumplir con la especificación de impedancia de extremo único. ¿Cómo podemos hacer esto posible?

En este caso, necesitamos utilizar una calculadora para obtener la impedancia diferencial y usar ese ancho y valor de separación devueltos para asegurarnos de que hemos alcanzado la especificación de modo único. En una placa de 2 capas, no podemos simplemente tomar el ancho que encontramos arriba y conectarlo en una calculadora de impedancia diferencial. Si lo hiciéramos, encontraríamos que la separación de pistas requerida sería de ¡aproximadamente 10 pulgadas! Obviamente, esto no es práctico. En realidad, si calculamos el ancho de la pista y el espaciado que necesitamos para una impedancia objetivo, tendríamos algo más cercano a 10 mils de ancho y 6 mils de espaciado para una disposición microstrip coplanar. Esto es mucho más razonable.

Lo que esto significa es:

• El ancho de pista necesario en un par diferencial no tiene que ser igual al ancho de pista necesario para alcanzar la impedancia característica de una sola pista. En un par diferencial, el ancho de la pista de modo único define la impedancia de modo impar, que es la mitad de tu objetivo de impedancia diferencial. El valor de la impedancia de modo impar es diferente del valor de la impedancia característica.

Esta es una distinción importante. Significa que, para una interfaz diferencial, no deberías simplemente tomar el ancho de traza para la impedancia característica mostrada arriba y conectarlo directamente en tu calculadora de impedancia diferencial para obtener un espaciado. Cuando las trazas en un par diferencial se acercan entre sí, el acoplamiento entre ellas reduce la impedancia de la señal individual y hace que el ancho de traza requerido sea menor, incluso en un PCB de 2 capas. Discutiremos más sobre esto en dos artículos próximos sobre este tema, incluyendo un ejemplo donde miramos usar USB en una placa de 2 capas.

Algunas Pautas de Enrutamiento para Señales Digitales en Capas Dobles

El objetivo de estas pautas básicas es asegurar que tu diseño digital tenga el menor ruido posible, lo cual es difícil dada la estructura de una placa de 2 capas.

1. Coloca un plano de tierra en la capa inferior, y luego coloca los componentes digitales y el enrutamiento en la capa superior. Esto no te ayudará con el control de impedancia durante el enrutamiento, pero deberías hacerlo de todos modos para ayudar con el control de ruido y para darte un acceso fácil a tierra a través de vías.
2. Utilice un ancho de traza fijo para el enrutamiento de potencia y señales. Las trazas de 8-10 mil están bien para el enrutamiento de señales digitales, y las vías de 12-14 mil están bien para las transiciones de señal de vuelta al plano de tierra. La potencia podría ser enrutada con polígonos si está trabajando con alta corriente, pero en la mayoría de los casos estará bien con trazas más anchas.
3. Utilice condensadores de desacoplamiento/bypass para asegurar una potencia estable y baja rebote de tierra. Las placas de 2 capas pueden exhibir rebote de tierra y posiblemente algo de ruido en las líneas de potencia, pero los condensadores de desacoplamiento/bypass amortiguarán este ruido.

En la próxima entrega de nuestra serie sobre placas de 2 capas, mostraré cómo implementar estas pautas de diseño para USB, que definitivamente se puede considerar como una interfaz digital de alta velocidad. Si estás familiarizado con USB, sabrás que es una interfaz rápida que a menudo necesita enrutamiento controlado por impedancia. Sin embargo, con las pautas mostradas arriba, puedes llegar a tener una placa de 2 capas funcional que utilice esta interfaz. Solo ten en cuenta que es posible que no tengas una placa completamente libre de ruido, así que no esperes que este diseño pase automáticamente las pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC). Sin embargo, debería funcionar bien como una placa de desarrollo para tu microcontrolador favorito, y podrías tener suerte si enrutas tus señales correctamente con un plano de tierra consistente en la capa trasera y limitas los cambios de capa a través de vías.

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