Pros y contras del enrutamiento de trazas ortogonales en PCBs multicapa

De vez en cuando veo preguntas en foros, algunos posts en blogs e incluso notas de aplicación que continúan recomendando el uso de enrutamiento ortogonal, usualmente en placas de 2 a 6 capas. Cuando miro las notas de aplicación, tiendo a seguir por defecto el consejo de Rick Hartley e intento pensar en este consejo en contexto. Desafortunadamente, las recomendaciones en las notas de aplicación no siempre se toman con un grano de sal, y a menudo se aplican en situaciones donde no son aplicables.

Este artículo trata más sobre cuándo no usar el enrutamiento de trazas ortogonales, en lugar de cómo se puede configurar en un autorouter o un tema similar. Si has trabajado en el mundo de ultra-alta velocidad/alta frecuencia durante mucho tiempo, entonces esto probablemente no sea nuevo para ti. Para el resto de nosotros, hay una tentación de volver por defecto a información antigua que a menudo se proporciona sin contexto. Esto es especialmente cierto en el caso del enrutamiento de trazas ortogonales.

Malos Apilamientos Conducen a Diafonía en el Enrutamiento

Creo que la primera vez que vi una recomendación para que los diseñadores usaran el enrutamiento ortogonal fue en StackExchange. Este sitio web es un excelente recurso sobre muchos temas, y definitivamente es mi recurso de referencia para todo lo relacionado con software y programación. Con el diseño de electrónica y PCBs volviéndose cada vez más complejo, es fácil aplicar recomendaciones de este sitio y otros sin considerar el contexto, lo que lleva a casos en los que estas elecciones de diseño causan que una placa falle.

Recientemente tuve un cliente que buscaba ayuda para depurar una actualización de un diseño antiguo. El cliente decidió usar la clásica recomendación de enrutamiento de trazas ortogonales con el apilado de 6 capas mostrado a continuación. En este apilado, las dos capas superiores y las dos inferiores son capas de señal. Las trazas en estas capas se enrutaron ortogonalmente entre ICs, y se utilizaron vías estándar de paso completo para las transiciones de capa.

No uses este simple apilado de 6 capas con señales de alta velocidad...

El diseñador experimentado ya debería tener una idea de lo que está mal en esta imagen. El problema era que el ingeniero estaba tratando de actualizar el diseño para usar un nuevo MCU que funciona a 400 MHz con interfaces de alta velocidad pero sin cambiar el apilado; el diseño tenía un exceso de diafonía y no pasó las pruebas de EMC.

En este punto, la solución debería ser obvia; diseñar adecuadamente el apilado y no tendrás que depender puramente del enrutamiento ortogonal para asegurar la integridad de la señal cuando trabajes con tasas de transición altas. Como resultó, esto terminó siendo un problema de integridad de potencia, lo cual tiene menos que ver con el enrutamiento ortogonal y más con la disposición de capas. Sin embargo, esto plantea la pregunta: ¿cuándo deberías usar el enrutamiento ortogonal?

¿Cuándo es Aplicable el Enrutamiento de Trazas Ortogonales?

El enrutamiento ortogonal se utiliza en dos situaciones posibles:

• Para crear canales de enrutamiento verticales y horizontales en diferentes capas
• Para prevenir el acoplamiento capacitivo entre trazas en capas adyacentes minimizando el área de acoplamiento entre ellas

El primer uso es totalmente apropiado y puede hacer que el enrutamiento sea mucho más fácil, siempre y cuando el apilado esté diseñado correctamente (ver abajo).

En cuanto a la integridad de la señal, tienes los siguientes problemas de diafonía progresivamente difíciles cuando usas enrutamiento ortogonal entre dos capas de señales adyacentes:

• A bajas tasas de cambio de flanco, habrá menos diafonía de todos modos, incluso en capas de señal adyacentes (aplicable a UART, I2C, etc.)
• A tasas de cambio de flanco más rápidas (como SPI), podrías notar diafonía en chips más avanzados
• En pares diferenciales, la diafonía será diferencial, lo cual no puede ser cancelado en un receptor
• A tasas de cambio de flanco muy rápidas (sub-ns), notarás más diafonía y emisiones radiadas

¿Cómo se supone que esto funcione para la integridad de la señal? A medida que una señal digital agresora se propaga, genera un campo magnético, y los bordes de conmutación de la señal generarán un flujo magnético cambiante en la región alrededor del trazo; esto es diafonía inductiva. También hay un campo eléctrico entre las dos líneas; cuando la señal agresora cambia, induce una corriente de desplazamiento en la línea víctima; esto es diafonía capacitiva.

Cuando los interconectores en capas adyacentes se trazan ortogonalmente (en direcciones perpendiculares), el campo magnético de una traza siempre estará orientado paralelamente al bucle conductor formado por una traza víctima en la siguiente capa, eliminando efectivamente el acoplamiento inductivo directo. Aunque esta descripción es técnicamente correcta, es demasiado simplista y no tiene en cuenta otros aspectos importantes de un apilado y diseño de PCB real. Los principales problemas relacionados con el enrutamiento ortogonal se refieren a la velocidad de conmutación, el desacoplamiento y la definición de un camino de retorno confiable. Rick Hartley discute algunos de estos importantes aspectos de enrutamiento y apilado en una entrevista reciente.

A pesar de la falta de acoplamiento inductivo, todavía hay acoplamiento capacitivo, incluso con el pequeño área de intersección entre trazas. Si no has diseñado correctamente tu camino de retorno, el campo eléctrico entre la capa de señal 1 y su tierra (ver la imagen anterior) puede acoplarse de nuevo a señales en la capa 2 simplemente debido a una diferencia de potencial a través de su capacitancia mutua, produciendo acoplamiento capacitivo. La impedancia vista por la señal acoplada capacitivamente es menor cuando la tasa de cambio de la señal es más rápida, produciendo un pulso de corriente más fuerte en la traza víctima.

Diseños avanzados como este no utilizarán enrutamiento de trazas ortogonales.

En tasas de flanco más bajas, probablemente no notarás el acoplamiento capacitivo, independientemente de si se utiliza el enrutamiento ortogonal. Aún así ocurrirá, pero puede que no sea lo suficientemente grande como para romper el margen de ruido de cualquier componente conectado a las pistas afectadas. A baja velocidad, las señales acopladas inductivamente ven una impedancia más baja, por lo que querrías enrutarte ortogonalmente en capas de señal adyacentes para minimizar el acoplamiento inductivo. Trabajar con tasas de flanco bajas es un caso en el que el enrutamiento ortogonal de trazas en capas de señal adyacentes es apropiado. Para el resto de nosotros, generalmente estamos trabajando bajo un nanosegundo en términos de tasa de flanco, lo que requiere un blindaje/aislamiento cuidadoso entre las capas de señal, un camino de retorno cuidadosamente diseñado, y una entrega de energía ultra-estable. Todo depende de diseñar el apilado de PCB correcto.

Enruta de Forma Ortogonal, Pero Usa Tierra

La conclusión aquí es simple: el enrutamiento ortogonal no es una cura para los problemas de integridad de señal, específicamente el acoplamiento cruzado con tasas de flanco rápidas. Sin embargo, el enrutamiento ortogonal es muy útil simplemente para crear canales entre grupos de componentes. Para usarlo correctamente, el apilado necesita tener tierra separando las dos capas de señal.

En el ejemplo a continuación, muestro uno de nuestros diseños multicapa heredados con una capa de señal en la superficie exterior. L2 es tierra y L3 contiene el canal de enrutamiento ortogonal. Juntos, este tipo de enrutamiento en dos direcciones perpendiculares crea una autopista para tus rutas en diferentes capas. El enrutamiento es muy limpio, dividiéndose en dos canales diferentes que se pueden acceder fácilmente con vías pasantes que salen de componentes en ambos lados de la placa. Esto facilita el enrutamiento entre el MCU central y el chip de RAM en la parte superior de la placa.

El apilado se muestra a continuación. Este apilado utiliza dos capas de señal internas, pero L4 se asignó para pines de control y rieles de alimentación. Nota que podrías implementar el mismo estilo de enrutamiento en una placa de 4 capas con dos planos de tierra internos. La principal directriz aquí es que el enrutamiento ortogonal está bien, siempre y cuando la tierra separe las dos capas de señal.

Esto pone el énfasis en la colocación inteligente de componentes en el diseño del PCB, especialmente de los conectores. Sin embargo, no siempre tienes la libertad de colocar los conectores donde quieras. En un producto real, puedes estar limitado por los cables que entran en la carcasa, otras placas en la carcasa, disposiciones de pines extrañas en componentes y disposiciones de pines extrañas en conectores. El problema de los conectores es probablemente el desafío más grande, ya que puede limitar seriamente el enrutamiento, especialmente cuando la disposición de los pines es estándar o cuando la disposición de los pines está limitada por algún otro producto. En este caso con los conectores, si puedes controlar la disposición de los pines a través de diseño personalizado de cables/arneses, podrás implementar más fácilmente una estrategia de enrutamiento ortogonal.

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