Diseño de PCB de alta velocidad: ¿Qué tan rápido es rápido?

Como se ha señalado en varios blogs anteriores, en estos días, el término "PCB de alta velocidad" es prácticamente ubicuo en nuestra industria. Y, como se ha citado, siempre decimos que, independientemente del producto final o la implementación, cada PCB es de alta velocidad por virtud de la tecnología IC incorporada en ella. Hace unos años, comenzamos a decir que lo importante eran las tasas de transición de los componentes, o más específicamente, las interconexiones entre los bordes de los componentes y las placas. Así es como llegamos al nombre de nuestro negocio, Speeding Edge. Es una amalgama de los términos "bleeding edge" y "tasas de transición de alta velocidad" como las que exhiben las interconexiones de componentes en los PCBs.

Vale la pena revisitar lo que la evolución del término "alta velocidad" significa y cómo ha cambiado a lo largo de los años. Este artículo discutirá la historia de los PCBs de alta velocidad, lo que realmente queremos decir cuando decimos que un dispositivo PCB es de alta velocidad y algunas de las reglas generales que se aplican inapropiadamente al proceso de diseño de PCBs de alta velocidad. También se discutirán recursos valiosos respecto a la información sobre principios de diseño de alta velocidad.

El Nacimiento y Evolución de los PCBs de Alta Velocidad

Las PCB de alta velocidad han existido desde hace mucho tiempo, remontándose a las computadoras centrales diseñadas y construidas por compañías como IBM y Cray. Pero eso era un nicho bastante aislado en relación con el resto de la industria de las PCB. Para el resto del mundo, la alta velocidad se convirtió en un tema de preocupación a principios de los 80 cuando TTL se volvió lo suficientemente rápido como para que los caminos se alargaran. Y así es como definimos alta velocidad con respecto a la integridad de la señal; una PCB es de alta velocidad cuando los caminos de la señal son largos en relación con los tiempos de subida, y un camino se vuelve largo cuando la señal puede reflejarse en el extremo abierto y causar problemas.

En términos de matemáticas precisas, si el tiempo de subida es de un nanosegundo, cualquier camino que tenga 3” o más puede fallar debido a reflexiones. Nota: 3”=7.5 cm y 6”=15 cm. Conviertes el tiempo de subida en longitud al descubrir la velocidad del camino. En las PCB, esto equivale aproximadamente a 6” por nanosegundo. Este es el punto de partida.Y, con qué frecuencia ocurre o cuál es la tasa de reloj no tiene impacto en la determinación.

Como señala Lee Ritchey, Presidente y Fundador de Speeding Edge, "He visto diseños fallar en una línea de reinicio de 'encendido'. Esto sucede cuando enciendes la energía. La gente juzgaría esto como no crítico porque no ocurría a menudo. El mundo tiene esta costumbre de juzgar rápidamente basándose en la frecuencia del reloj y ahí es donde se meten en problemas."

Como ejemplo, hace algunos años, solucionamos problemas en un oxímetro de pulso que había fallado. La empresa que diseñó el producto determinó que el producto era "lento" porque tenía un reloj de 1MHz. Pero no funcionaba porque la parte de memoria del diseño tenía un tiempo de subida de 350 picosegundos.

Entonces, ¿dónde estamos ahora? Los últimos datos que miramos de Micron Technology para sus componentes de memoria decían que el borde lento era de 100 picosegundos y el borde nominal era de 50 picosegundos. El borde rápido no estaba especificado. Si comenzamos con un nanosegundo, el borde lento es 1/10 de eso, lo que significa que para el borde lento, un camino de 3/10 de pulgada de largo puede exhibir fallas por reflexiones. En este escenario, no hay producto que no sea rápido sin importar la frecuencia del reloj.

Los diseñadores de productos hoy en día aún se encuentran en problemas cuando asumen que, debido a que sus implementaciones finales de productos no son "rápidas", por defecto, eso significa que el producto no es de alta velocidad. Y hay cinco áreas donde la gente tiende a cometer errores. Estas incluyen:

• No seguir las reglas de integridad de señal. Esto abarca no controlar la impedancia, no usar terminaciones adecuadas y utilizar notas de aplicación como guías de diseño. Muchas excusas para diseños fallidos comienzan con "Seguí la nota de aplicación, el producto no funciona". (Muchas notas de aplicación no contienen consejos válidos sobre integridad de señal.)

• Tener muchas ideas de productos tecnológicos que provienen de personas que no entienden las reglas técnicas. En los últimos 30 años, ha habido muchas ideas de productos que se originan con ingenieros en ciencias de la computación que no tienen ninguna formación en integridad de señal.

• Tomar un montón de reglas empíricas y aplicarlas al proceso de diseño sin entender cómo funcionan realmente las cosas.

• Y, como se ha señalado en varios artículos anteriores, en diseños de alta velocidad, el desafío más grande y crítico hoy en día es diseñar un PDS (Sistema de Distribución de Potencia) que funcione correctamente.

Las Malas Reglas

Cuando se trata de consideraciones de diseño de alta velocidad, algunos de los problemas más grandes se derivan de usar reglas empíricas que no tienen base en buenas prácticas de ingeniería. Las tres más comunes asociadas con el diseño de PCB de alta velocidad son:

• La regla de 20H

• La regla de 3W

• La regla de las vías de conexión

La Regla de 20H

La regla 20H es una de un grupo de aproximadamente una docena de reglas inventadas que se originaron a principios de los 90. Esta regla alega que si se retrocede Vdd del plano de tierra por una dimensión que es 20 veces la separación o “H” (que representa la altura entre los dos planos), se reduciría la EMI. Esta regla fue puesta a prueba en dos universidades diferentes por estudiantes que construyeron placas de prueba para discernir la validación de la regla. Una placa de prueba se construyó con Vdd y el plano de tierra al ras, mientras que la otra se construyó utilizando la regla 20H. El par de planos se excitó con un generador de RF y se comprobó con una sonda de campo cercano para determinar si había alguna EMI escapando desde el borde. Lo primero que se aprendió fue que la magnitud de la radiación que escaparía era tan pequeña que nunca causaría un problema de EMI. Además, la poca radiación que sí escapaba era peor cuando se aplicaba la regla 20H en comparación con Vdd y el plano de tierra al ras. Los documentos sobre estas pruebas son las Referencias 2 y 3 al final de este artículo.

La Regla 3W

Esta regla, que se basa en otra decisión arbitraria, establece que para controlar el diafonía entre pistas paralelas trazadas en la misma capa, se debe mantener un espaciado mínimo entre los centros de las pistas de 3-W. Lo que hay que tener en cuenta es que la diafonía no es una función del ancho de la pista. En cambio, es la interacción no deseada entre cables de señal o pistas que viajan en paralelo (también conocido como acoplamiento), y es una función de dos cosas:

• ¿Qué tan separados están los dos bordes?

• ¿Qué tan alto están las pistas sobre el plano más cercano?

La única manera de determinar estos dos factores es mediante el uso de un simulador. Este es un análisis muy directo que toma alrededor de dos minutos en realizar. Sin embargo, es importante notar que hasta que sepas cuánto puede tolerar la línea víctima en términos de ruido acoplado, no puedes comenzar el proceso de análisis.

Vías de Conexión

Como se señaló en mi blog sobre trazas de guarda (Guard Traces: ¿Éxito o Mito?), se alega que las vías de cosido controlan el diafonía y son una barrera para el campo electromagnético. Las vías de cosido se implementan colocando una traza de guarda entre otras dos trazas y luego poniendo periódicamente una vía desde la traza hasta el plano de tierra que está debajo. La verdad es que si el uso de vías de cosido fuera necesario para que un producto funcionara, ninguno de los productos de Internet de hoy—servidores, puentes y enrutadores—podría fabricarse. Mecánicamente, simplemente no hay suficiente espacio para separar los miles de trazas que están en estos productos.

Y, como dice Lee Ritchey, “He encontrado que cada regla que es válida tiene una prueba directa. Si la persona que cita la regla no puede dar la prueba, no deberías usarla.”

Información Que es Más o Menos Correcta

Uno de los desafíos a los que nos enfrentamos en la industria es la abundancia de mala información que circula en varios dominios públicos (publicaciones comerciales, Internet, libros de "supuestos" expertos). El verdadero desafío es que dentro de estos recursos de información, a veces termina habiendo mucha información que es correcta pero que se combina con información que no lo es. La dificultad radica en discernir entre la información en la que puedes confiar y la que no puedes.

Hay dos foros de información realmente buenos que están disponibles y que contienen reglas de diseño válidas: La base de datos del foro IEEE y el reflector SI-LIST. La SI-List se lanzó en 1994 con 30 miembros que componían la lista de correo inicial. A través de ella, los ingenieros pueden publicar preguntas, responder preguntas, participar en debates o escuchar el "ruido".

Para suscribirte a la SI-List, visita http://www.freelists.org/webpage/silist. Para ver los archivos de publicaciones, ve a: https://www.freelists.org/archive/si-list/

El IEEE proporciona acceso a publicaciones, conferencias, normas tecnológicas y actividades profesionales y educativas para promover el avance de las disciplinas de ingeniería. Es posible unirse al IEEE como profesional de la ingeniería o como estudiante.

En virtud de la tecnología incorporada en ella, cada PCB diseñada hoy en día es de alta velocidad. Entender qué es alta velocidad y qué información constituye un enfoque válido de diseño de alta velocidad asegurará que estás creando un producto que funcionará correctamente desde la primera vez.

Referencias

1. Ritchey, Lee W. y Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.”

2. “Effects of 20-H Rule and Shielding Vias on Electromagnetic Radiation From Printed Circuit Boards,” Huabo Chen, Miembro Estudiante, IEEE, y Jiayuan Fang, Miembro Senior, IEEE Dept. de

3. Ingeniería Eléctrica, Universidad de California en Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064. “Radiation from Edge Effects in Printed Circuit Boards (PCBs)”, Dr. Zorica Pantic-Tanner & Franz Gisin, presentación en la reunión mensual del capítulo de Santa Clara Valley del IEEE EMC Society, mayo, 2000.

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