Simulación de la impedancia de planos de masa segmentados en PCBs flexibles

Las PCBs flexibles y las PCBs rígido-flexibles pueden transportar señales de alta velocidad, algunas de las cuales requieren impedancia controlada. Implementar impedancia controlada en una PCB flexible no es una tarea fácil por varias razones. Si eliges el camino de la impedancia controlada, donde el fabricante prueba la impedancia y realiza ajustes en el apilado, raramente tienes la libertad de hacer esto ya que puede forzar el grosor de la capa flexible a ser demasiado grueso o demasiado delgado. Si optas por la ruta del dieléctrico controlado, la estructura del plano de tierra invalida los modelos típicos para la impedancia, por lo que es muy difícil determinar la impedancia apropiada.

Desafortunadamente, esto significa que debes usar algunas simulaciones o algunos datos de prueba para determinar la impedancia de trazas individuales y pares diferenciales en PCBs flexibles. No todos los fabricantes pueden suministrar estos datos, o si tienen estos datos, pueden no hacerlos públicamente disponibles. Cuando se trata de pares diferenciales, el espaciado también será un factor crítico que determina la impedancia a lo largo del interconector.

En este artículo, inspirado en el trabajo de Lukas Henkel, presentaré un breve conjunto de resultados de simulación y flujo de trabajo que se puede utilizar para la determinación de la impedancia de traza en planos de tierra segmentados.

Motivación para la Simulación de Impedancia en Planos de Tierra Segmentados

Recientemente, completamos una entrevista de seguimiento con Lukas Henkel, donde discutimos algunos de sus avances en el Proyecto de Laptop de Código Abierto. Este proyecto involucraba la creación de la placa madre así como de periféricos para una laptop de código abierto, y uno de los periféricos es una cámara web, que se sitúa en la parte superior de la pantalla. Echa un vistazo a nuestro clip de entrevista para saber más, o mira el episodio completo en YouTube.

Al referirse a la parte de la cámara web del diseño en este clip, la cámara web se conecta a la placa madre usando un PCB flexible. Para transmitir datos desde la cámara al CPU, se necesita un enlace serial de alta velocidad. Esto requiere el uso de MIPI CSI-2, una interfaz diferencial de alta velocidad que envía datos seriales a través de cuatro carriles paralelos con un reloj diferencial sincrónico con la fuente. En total, esto proporciona hasta cinco pares diferenciales corriendo entre la cámara y la placa madre.

El enrutamiento de CSI-2 sobre 4 carriles de datos y un carril de reloj sincrónico con la fuente. Ambas trazas en cada par diferencial requieren ajuste de longitud, y los pares diferenciales deben coincidir dentro de este grupo.

Siendo una interfaz diferencial, por favor use pares diferenciales que requieran control de impedancia a 100 ohmios. En un PCB rígido, esto sería bastante fácil. Utilice el gestor de estructura de capas y Altium Designer u otro simulador para obtener rápidamente la impedancia sin pérdidas basada en la sección transversal del apilado. En un PCB flexible, esto no es tan fácil porque los PCBs flexibles utilizan un plano de tierra tramado. Ahora, veamos brevemente la teoría que muestra por qué es así. Luego, podemos mostrar algunos resultados de simulación para la cinta flexible de Lukas, que detallarán la impedancia diferencial y los parámetros S diferenciales.

El Factor de Relleno Es un Parámetro Crítico que Determina la Impedancia

Cuando evaluamos la impedancia de un interconector de cobre en un PCB flexible con un plano de tierra tramado, una de las herramientas que podemos usar para entender lo que está sucediendo en el interconector es la impedancia de entrada. Si miras la estructura del plano de tierra tramado, el tramado tiene algunas áreas donde se elimina el cobre, típicamente de forma cuadrada o diamante, y esa área puede definirse como alguna fracción de los elementos de área repetidos que componen el plano de tierra tramado. He llamado a esta fracción el "factor de relleno", que puede definirse como se muestra en la imagen a continuación.

Ahora vamos a trazar una pista sobre diferentes regiones de la estructura anterior; algunas partes de la pista estarán sobre cobre sólido, mientras que otras partes de la pista se trazarán sobre una región con cobre eliminado. La presencia variable de tierra cerca de la pista impactará la impedancia y, por lo tanto, la integridad de la señal en estas rutas. A lo largo de la longitud de la pista, esperaríamos variaciones de alta y baja impedancia, que serán una función de la distancia de la pista al cobre.

Debido a que tenemos una variación en la impedancia a lo largo de la longitud de la ruta, la estructura es una línea de transmisión en cascada periódica. No he visto un buen recurso en la literatura de investigación que describa específicamente este tipo de estructura, aunque sí hago referencia a ella en este artículo. En cualquier caso, hay una impedancia de entrada en cada sección que se puede escribir en términos de la siguiente sección de la línea de transmisión:

En términos más simples, si conoces la impedancia característica de cada una de las secciones de la línea de transmisión, podrías obtener una estimación razonable de los parámetros S mediante un cálculo inductivo, y sería lo suficientemente simple como para hacerlo en un script de Python o en Excel. Por ejemplo, si conocieras la impedancia sobre el cobre y en la región de la trama, es concebible que pudieras usar la ecuación anterior iterativamente para estimar la pérdida de retorno (S11) en el puerto de entrada.

Yo sostendría que este método es más preciso que intentar asumir un plano sólido y luego aplicar algún factor de corrección, pero creo que este es un tema para un estudio más profundo. En cualquier caso, una vez que tengas una estimación de la impedancia simple o diferencial sobre un plano de tierra tramado, eventualmente necesitarás calificar esto, y eso requiere una simulación 3D.

Simulaciones 3D de Planos de Tierra Tramados

Para calificar más completamente el rendimiento de las interconexiones en un plano de tierra tramado, utilizaremos la cinta flexible mostrada a continuación, proporcionada por Lukas Henkel para el portátil de código abierto. La imagen a continuación muestra una vista 3D de la cinta flexible y el enrutamiento de trazas en dos regiones, así como los grupos de trazas en cada región.

Capa 1:

Capa 2:

Primero, para obtener algunos valores de la impedancia característica en cada sección, se utiliza el analizador de cumplimiento en Simbeor para obtener impedancias basadas en secciones transversales de trazas. Se examinaron y compararon dos regiones. En la región recta que viene directamente del conector de la cámara, la impedancia de las líneas de extremo único parece exhibir mucha menos variación; la impedancia varía de 30-40 Ohms a lo largo de las trayectorias rectas. En la región curvada del cable flexible, la variación de la impedancia es mucho mayor, con una impedancia característica que varía de 30-60 Ohms.

El ancho de línea amplio (W/H = 4) crea regiones de impedancia de modo impar muy baja sobre el cobre, mientras que las regiones entre el cobre están mucho más cerca de un objetivo de 50 Ohms. La variación exacta parece ser aproximadamente de 28-62 Ohms, o un promedio de 45 Ohms de impedancia de modo impar. La impedancia diferencial es de aproximadamente 78 Ohms con alguna variación.

Región recta:

Región curvada:

Basado en lo que ya vemos, hay algunas grandes desviaciones de impedancia a lo largo del enlace, aunque son pequeñas en su longitud, por lo que esperaríamos alguna conversión de modo a lo largo de este enlace. La matriz completa de parámetros S para este enlace nos dirá las pérdidas y la conversión de modo, y los resultados se muestran en la siguiente sección.

Resultados de Parámetros S de CSI-2

Ahora veamos los parámetros S para el enlace CSI-2 ya que está controlado por impedancia. Basándonos únicamente en los valores de impedancia de sección transversal mostrados arriba, se vuelve bastante poco claro cuál será la pérdida de retorno real a lo largo del interconector. Por lo tanto, realizamos una simulación de parámetros S desde esta geometría para determinar la pérdida de retorno hasta frecuencias muy altas. La imagen a continuación muestra los resultados para la línea CSI-2 resaltada arriba.

La pérdida de retorno es aceptable dentro de los límites requeridos para un enlace CSI-2; la pérdida de inserción es bastante baja dentro del ancho de banda del canal gracias al ancho de las pistas, pero disminuye bruscamente más allá del límite de banda. Un problema aquí es conversión de modo, específicamente SCD21 (gráfico inferior derecho), lo cual esperaríamos dada la naturaleza discontinua del plano de masa rayado. Este enlace tiene mucha conversión de modo que necesitaría ser verificada contra los límites de MIPI C-PHY.

Si quisieras mejorar los resultados de pérdida de retorno y pérdida de inserción, necesitarías ajustar el factor de llenado y el espaciado para el enlace diferencial. Luego tendrías que simular nuevamente y verificar que los parámetros S hayan mejorado. Consulta la sección de flujo de trabajo a continuación para obtener más detalles.

Resumen de Resultados y Flujo de Trabajo

Para nuestros propósitos, donde solo estamos mirando el enrutamiento de trazas en el PCB, este resultado es aceptable. En realidad, los parámetros S para el interconector completo dependerán de la desadaptación de impedancia en las interfaces de cable que llegan a los conectores. Para expandir la simulación más allá de lo mostrado arriba, necesitaríamos hacer lo siguiente:

1. Exportar un archivo Touchstone de los parámetros S para este enlace.
2. Obtener archivos Touchstone para los conectores en cada extremo.
3. Obtener un archivo Touchstone para el enlace que conduce al CPU y al chip de la cámara.
4. Agregar todos estos en un modelo de red lineal.
5. Determinar los parámetros S para toda la red en cascada.
6. Dependiendo de estos resultados, puede ser necesario ajustar el factor de llenado para el plano de masa entrelazado debajo del par diferencial CSI-2.
7. Iterar y repetir.

El proceso anterior ilustra un flujo de trabajo a implementar para determinar la impedancia de traza para una línea CSI-2. Debido a la falta de resultados analíticos precisos que podrían utilizarse para la predicción de la impedancia de traza sobre un plano de masa entrelazado, es necesario comenzar con una estimación basada en el factor de llenado, y luego iterar a través de algunas variaciones para obtener una impedancia de traza apropiada. Propongo el siguiente flujo de trabajo:

1. Comenzar con un diseño de entrelazado propuesto y calcular el factor de llenado.
2. Calcular dos factores de llenado adicionales para usar como variaciones.
3. Diseñar una pequeña placa de prueba con estas variaciones y simular los parámetros S en cada una.
4. Examinar los resultados de los parámetros S y elegir el mejor factor de llenado.
5. Para pares diferenciales, examinar el resultado y determinar si el espaciado debe ajustarse para aumentar o disminuir la impedancia diferencial.
6. Simular el enlace diferencial modificado y verificar los parámetros S.
7. Iterar y repetir.

Con estas tres simulaciones, y posiblemente una cuarta ajustando el espaciado de pares diferenciales, podrías llegar a un diseño de interconexión utilizable en solo cuatro simulaciones con aproximadamente 8 horas de tiempo de simulación. Esto es lo suficientemente rápido como para completarse en un solo día.

Para proporcionar más información sobre el rendimiento de enlaces de extremo único y diferenciales sobre planos de masa entrecruzados en PCBs flexibles, planeo realizar un estudio de geometría más amplio. Esto involucrará variar muchos de los parámetros del factor de llenado y determinar cuál parámetro geométrico es el estimador más efectivo para la impedancia de extremo único y diferencial. Asegúrate de seguir esta serie de blogs para más actualizaciones.

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