¿Qué son las pistas de guarda en el diseño de PCB y funcionan?

Las pistas de guarda en un diseño de PCB son otro tema en el que sigue habiendo mucha información contradictoria. Puedes encontrar muchas referencias diferentes sobre su uso. Existe confusión sobre qué tipos de diseños—circuitos analógicos, señal mixta o digitales—supuestamente se benefician más del uso de pistas de guarda; cómo las pistas de guarda bloquean los campos EM; la importancia de que los extremos de las pistas estén flotando, conectados a tierra en un extremo o conectados a tierra en ambos extremos y qué tipos de pistas se benefician más del uso de pistas de guarda—microstrip o stripline. Este artículo abordará todos estos temas y presentará datos de hardware real que documentan por qué las pistas de guarda, independientemente de su implementación, no ofrecen ningún valor real y por qué la altura de la pista sobre el plano y la separación de las pistas es el mejor método para controlar el diafonía.

Los Orígenes de las Pistas de Guarda

Las pistas de guarda efectivamente tienen algún valor en implementaciones de productos particulares, específicamente aquellos que tienen una impedancia extremadamente alta, diseño de PCB analógico de bajo ruido y una fuente de energía muy baja. Por ejemplo, en una máquina de EKG, que tiene alta impedancia y baja frecuencia, existe el riesgo de tener acoplamiento capacitivo desde el exterior hacia la pista. La señal es tan baja que no se necesita mucho desde el exterior para alterarla. En este caso, una pista de guarda alrededor de la pista de señal puede suprimir el acoplamiento capacitivo. Entonces, ¿qué pasa con los diseños analógicos vs. digitales? Es difícil desglosar el valor de la pista de guarda vs. no usar pista de guarda basándose en si un producto es un dispositivo analógico o digital. Definir la situación basada en lo analógico es un término demasiado general. Por ejemplo, un amplificador de audio de alta potencia también es analógico.

Lo mismo se aplica a los diseños de señal mixta y si pueden clasificarse como buenos "objetivos" para las pistas de guarda. La implementación de un producto de señal mixta comienza con una señal analógica que, en algún punto, se convierte en digital. Esto se logra mediante convertidores de A a D y esta es la definición habitual de un producto de señal mixta. En las implementaciones de productos actuales, todos los radios son digitales internamente, incluso las partes de RF. El circuito digital de RF ya no se compone de redes L (inductivas) y C (capacitivas). Por ejemplo, en un teléfono móvil, no se encuentran Ls y Cs en ninguna parte. Las antenas van directamente a un chip que inmediatamente convierte esa señal de analógica a digital incluso en frecuencias de RF muy altas. También cabe destacar que, en las diversas fuentes de información sobre el uso de pistas de guarda que circulan actualmente, se mencionan tanto el diafonía en el extremo cercano como en el lejano. En el mundo digital, la diafonía que preocupa es la diafonía hacia atrás. Esto se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diafonía hacia adelante y hacia atrás vs Longitud

¿Qué es una Pista de Guarda?

La idea completa detrás de las pistas de guarda es que cuando colocas una pista de guarda entre dos líneas de transmisión estás bloqueando el campo EM entre las dos y suprimiendo el acoplamiento cruzado no deseado que ocurre entre ellas. En realidad, insertar una pista de guarda entre dos líneas de transmisión aumenta el espacio entre ellas y es ese aumento de espacio el que está reduciendo el acoplamiento cruzado, no la pista de guarda. Si un cable pudiera detener un campo EM, un transformador no funcionaría. Lo que se espera es que cuando la energía pasa por ese cable, parte de ella se recoja en el camino. Dependemos de eso para hacer un transformador. El cable no detiene el campo magnético.

La traza es una red distribuida LC que resonará a alguna frecuencia. Si la geometría resulta ser la adecuada, puede resonar en una frecuencia de interés en el diseño, creando un filtro de paso de banda que aumenta el diafonía en lugar de reducirla. La Figura 2 muestra tal diseño. Este es el arte de un backplane de supercomputadora fallido que se construyó a finales de los años 80. Los ingenieros del proyecto estaban preocupados de que la impedancia de las líneas de transmisión del backplane sobrecargaría los controladores. Para evitar que esto sucediera, la impedancia del backplane se estableció en 70 ohmios. Los diseñadores del backplane insertaron trazas de protección para controlar la diafonía no deseada. La longitud de las trazas de protección resultó ser tal que resonaban en la frecuencia de reloj de la computadora. El resultado fue un acoplamiento no deseado entre las señales que se propagaban lateralmente a través del backplane, lo que causó que la computadora fuera inestable. La solución fue desechar el diseño y empezar de nuevo. Nunca es una buena idea cuando se intenta alcanzar ventanas de mercado críticas y controlar los costos generales de desarrollo del producto.

También se debe notar que en los productos de Internet de hoy, los PCBs están tan llenos de circuitos y trazas de señal que no hay espacio para trazas de protección. Son una imposibilidad física.

Figura 2. Bus de Backplane con Trazas de “Protección”

¿Para qué sirve realmente un trazo guardia en el control del diafonía?

Existe una cantidad significativa de información sobre la manera en que se terminan los trazos guardia que aumenta su efectividad en el control de la diafonía. Las opciones son: trazos guardia flotantes; trazos guardia terminados en un extremo y trazos guardia que están terminados en ambos extremos. En realidad, independientemente de cómo se terminen los trazos guardia, todos son redes resonantes LC y pueden crear un filtro de paso de banda y ninguno de ellos está haciendo lo que se supone que deben hacer.

Además, conectar ambos extremos de un trazo a un plano de tierra no significa que el trazo haya sido agregado a “tierra” ni es capaz de bloquear el campo EM. Los cables de cualquier tipo, no importa cómo estén conectados sus extremos, no bloquean campos EM. Es la separación entre trazos lo que determina cómo se controla la diafonía. La Figura 3 muestra cómo aumentar el espaciado entre dos líneas es la manera de controlar la diafonía entre esas líneas.

Figura 3. Diafonía inversa vs Separación de Borde a Borde y Altura Sobre el Plano Más Cercano

También se alega que, para que una traza de guarda sea efectiva en una configuración de stripline, la traza de guarda debe tener exactamente la longitud de la longitud acoplada. Nuevamente, las características geométricas de la traza de guarda no tienen impacto en su capacidad para controlar el diafonía porque es el espacio entre las trazas lo que determina qué tan bien se mitiga el acoplamiento.

Traces de Guarda en PCB: Microstrip vs. Stripline

Algunas fuentes indican que la efectividad de las trazas de guarda es diferente para las topologías de microstrip vs. stripline, siendo el resultado que las trazas de guarda no son efectivas para las topologías de microstrip pero sí lo son para las de stripline siempre y cuando ambos extremos de la traza de guarda estén conectados a tierra. Dado que la terminación, o la falta de ella, de una traza de guarda es irrelevante, también lo es su efectividad en cualquiera de las configuraciones.

¿Funcionan las Trazas de Guarda?

Entender qué funciona en el control de la diafonía se reduce a comprender las reglas fundamentales de la física y cómo funcionan los campos EM.

La ruta clásica siempre ha sido de líneas de 5 mil y espacios de 5 mil. Puedes tener este espaciado junto con una altura de 5 mil sobre el plano. Esta es la configuración que tendrías en un PCB de cuatro capas, como una placa madre de PC. Esto te daría un 8% de diafonía. Si no quisieras eso e insertaras una traza de protección, tendrías que separar las líneas de transmisión de borde a borde por 15 mil. Esto reduce la diafonía al 0.8%. Esto es una reducción de 10 a 1 en la diafonía y se asume que es debido a la traza de protección. En realidad, es el espacio entre las trazas lo que redujo el acoplamiento, no la traza de protección. Una vez que se entiende la física de la separación, es fácil diseñar PCBs de tal manera que la diafonía esté intrínsecamente controlada como parte de ese proceso de diseño.

Al diseñar un PCB para controlar el diafonía, querrás asegurarte de que la línea de transmisión pase sobre un plano sólido y no necesite tener el DC nombrado como tierra. Podría ser un plano Vdd. De esta manera, la energía se encuentra entre el trazo y el plano. Cuanto más cerca esté el plano de la línea de transmisión, mejor aseguras que la energía pase entre el trazo y el plano y no hacia los trazos vecinos. Idealmente, comienzas tu proceso de apilamiento de PCB colocando el trazo lo más cerca posible del plano. Luego, eliges un número que sea manufacturable. En la mayoría de los casos, no es posible acercarse más de 4 mils. Por lo tanto, comienzas en 4 mils y luego estableces la separación para el objetivo de diafonía y el ancho del trazo para el objetivo de impedancia.

¿Cómo evalúas todos los datos de trazas de guarda que hay disponibles?

Hay muchos datos en la industria que supuestamente respaldan todas las conclusiones que se han hecho con respecto a la efectividad de las trazas de guarda. Pero, es importante recordar que las simulaciones y ecuaciones que se ofrecen se basan en teoría y no en resultados reales en hardware. Las simulaciones tienen su valor, pero solo cuando están respaldadas con pruebas físicas reales de circuitos impresos pueden considerarse correctas.

¿Realmente las pistas de guarda controlan el diafonía en absoluto?

Las pistas de guarda en las PCBs, independientemente de sus implementaciones y terminaciones, no controlan la diafonía. De hecho, debido a que las pistas de guarda pueden crear filtros de paso de banda, en realidad pueden aumentar la diafonía, no reducirla. Un buen entendimiento de los fundamentos de la física y cómo funcionan los campos EM es tu mejor arsenal para reducir la diafonía.

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Referencias:

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