Señales de PCB: Elementos clave del diseño de PCB de alta velocidad

• Entendiendo el Desafío
  • ¿Cuánto es Demasiado Largo?
  • Emparejando las Impedancias
  • ¿Dónde Fluye la Energía de Retorno?
  • Pares Diferenciales
  • ¿Qué pasa con los Vias?
  • Diafonía
  • Bailando al Mismo Tiempo
  • La Placa
    • Los Materiales
    • Las Capas
    • Posibles Configuraciones de Capas
       

Entendiendo el Desafío

El propósito de este artículo es introducir los elementos clave del diseño de alta velocidad y luego discutir cómo cada uno de esos elementos se aborda en Altium Designer. Este artículo no intenta proporcionar una discusión completa sobre el diseño de alta velocidad; para eso, hay un número de diseñadores e ingenieros altamente experimentados y eruditos que han escrito excelentes documentos de referencia y libros sobre el tema. Consulte la sección deReferencias para enlaces a estos autores, y los documentos utilizados durante la investigación para este artículo.

Entonces, ¿qué es exactamente lo que hace que un diseño de PCB sea de alta velocidad? Claro que se trata de cosas que suceden rápidamente, pero no es solo acerca de la tasa de reloj utilizada en la placa. Un diseño es de alta velocidad cuando incluye dispositivos con transiciones rápidas - dispositivos que cambian de estado tan rápidamente que la transición se completa antes de que la señal pueda viajar a lo largo de la ruta y alcanzar el pin objetivo. En esta situación, la señal puede ser reflejada de vuelta al pin de origen, degradando o destruyendo los datos de la señal original. Una señal con una transición rápida también puede irradiarse desde la ruta y acoplarse en rutas adyacentes, o irradiarse más lejos y convertirse en interferencia electromagnética (EMI), resultando en que el producto no cumpla con los estándares de emisión obligatorios.

Cuando una señal tiene transiciones rápidas, cambia la manera en que la energía viaja a través del enrutamiento. En un circuito donde las tasas de transición cambian lentamente, puedes pensar en la energía fluyendo a través del enrutamiento como agua a través de una tubería. Sí, se pierde algo de energía debido a la fricción a medida que el agua es empujada a través de la tubería, pero básicamente la mayor parte de ella llega al otro extremo. Para un circuito de CC o de baja frecuencia de conmutación puedes calcular la resistencia de la ruta y asegurarte de que la cantidad de energía perdida en el camino no afecte el rendimiento del circuito.

No es tan simple en un diseño de alta velocidad, porque además de la energía que fluye como electrones a través del cobre de las pistas, en una señal de conmutación rápida, parte de esa energía también viaja como energía electromagnética alrededor del cobre de las pistas. Ahora ya no estás diseñando caminos de cobre para electrones; estás diseñando una serie de líneas de transmisión incrustadas en una placa de circuito impreso.

¿Cuándo es demasiado largo?

A medida que la velocidad de conmutación del borde aumenta, la energía que viaja a través de una ruta se comporta de manera diferente. Ya no viaja como agua dentro de un tubo. En cambio, la mayor parte de la energía se concentra en la superficie misma de la ruta (conocido como el efecto piel), con una porción de la energía viajando realmente como radiación electromagnética. No viajando a través del conductor real, esta energía electromagnética viaja a través del material que rodea la ruta. Como arrastrar el pie a través del agua, cuando la energía viaja de esta manera, la señal en realidad se ralentiza. Ahora son las propiedades del material alrededor de la ruta las que dictan qué tan rápido viaja la señal y cuánto se retrasará su llegada.

Diseño de PCB<br>de alta velocidad

Soluciones sencillas para los desafíos del diseño de alta velocidad

Explorar soluciones

Entonces, ¿cuándo se convierte esto en un problema, el tiempo que tarda la señal en propagarse por la ruta hasta el pin objetivo? Como una ola chocando contra un muro, cuando la señal llega al pin de entrada objetivo, parte de la energía de la señal se refleja de vuelta hacia el pin de origen. Si esta energía reflejada llega de vuelta al pin de origen mientras el borde de la señal original todavía está en transición, la señal original será lo suficientemente fuerte para anular la reflexión a medida que completa su transición y tu señal estará bien. Pero si la transición del borde se completa antes de que la energía reflejada regrese, como un eco en el cañón, esa energía reflejada interactuará con la señal original y la cambiará, quizás tanto que no puedas discernir qué fue lo que realmente se gritó en el cañón.

Para resumir, cuando el tiempo de viaje a lo largo de esta longitud de ida y vuelta es igual o mayor que el tiempo de subida de la señal, la integridad de esa señal está en duda ¡y tu diseño ahora es un diseño de alta velocidad! La longitud de esa ruta se refiere como la longitud crítica - las rutas más cortas que esta no deberían experimentar problemas de integridad de señal, mientras que las rutas más largas podrían experimentarlos.

Para analizar tu diseño, una regla general comúnmente utilizada es la ^{regla de tiempo de subida de}/₁/³, que establece que si la ruta es más de ₁/3 ^{de un tiempo de subida largo, pueden ocurrir reflexiones. Por ejemplo, si el pin de origen tiene un tiempo de subida de 1 nSeg, entonces una ruta mayor a .33 nSeg - que es aproximadamente 2 pulgadas en FR4 - debe considerarse como una línea de transmisión y, por lo tanto, un candidato para problemas de integridad de señal.}

Suponiendo que la Constante Dieléctrica ε_R de FR4 es 4, la Velocidad de una Señal en FR4 se da como:

V_p(FR4) = (299.792458 / √4) mm/ns

              =149.89 mm/ns (aproximadamente 6 pulgadas/ns)

Para FR4, la longitud de la ruta en la que se deben considerar los efectos de la línea de transmisión se puede calcular como:

L_R ≥ T_R × 49.965 mm

Si T_R = 1nS

L_R ≈ 50mm (2 pulgadas)

Si T_R = 100pS

L_R ≈ 5mm (0,2 pulgadas)!! En una placa con señales que cambian a estas velocidades, la mayoría de las rutas serán líneas de transmisión.

Emparejando las Impedancias

Dado que no es posible asegurar que todas las rutas sean más cortas que la longitud crítica, ¿cómo aseguras que la información codificada en tus señales se reciba correctamente y no sea anulada por reflexiones? Lo haces minimizando la cantidad de energía que se refleja de vuelta. Idealmente, quieres que toda la energía que llega al pin de entrada objetivo pase a través de ese componente y que nada se refleje de vuelta. ¿Cómo logras que eso suceda?

Para prevenir reflexiones, necesitas pensar y diseñar la ruta como si fuera una línea de transmisión. ¿Por qué? Porque una línea de transmisión tiene el comportamiento especial de que cuando termina con una impedancia igual a su propia impedancia, no se refleja energía. Ahora tienes un método para manejar esas rutas que son más largas que la longitud crítica; enrútalas como una línea de transmisión. Esto significa que las enrutas de manera que tengan una impedancia específica, luego las terminas con la misma impedancia.

La impedancia de la ruta está definida por las dimensiones de la ruta (el ancho y alto del conducto), y las propiedades y dimensiones de los materiales circundantes, que serán el aire circundante o las capas dieléctricas. Para funcionar como una línea de transmisión, la capa que está adyacente a la capa de señal debe ser una capa plana. Al organizar cuidadosamente las capas en el apilado de capas y calcular las dimensiones y propiedades, se puede lograr una impedancia específica para la ruta. Este enfoque de enrutamiento se refiere como enrutamiento de impedancia controlada, donde la impedancia objetivo se mantiene constante, y las dimensiones y propiedades del material se seleccionan y ajustan para lograr eso.

No se puede lograr una PCB de impedancia controlada solo con el enrutamiento. Hay dos piezas en este rompecabezas: controlar la impedancia del enrutamiento y hacer coincidir esa impedancia con los pines en la red. Lograr esta coincidencia a menudo requiere la adición de componentes de terminación. Las terminaciones pueden agregarse cerca del pin de origen o cerca del pin de destino. Un buen enfoque para determinar si una red de alta velocidad necesita terminación es analizar el diseño con un simulador de integridad de señal. A diferencia de un simulador de circuitos, que modela y simula el comportamiento y la interacción de los componentes, un simulador de integridad de señal modela el comportamiento del enrutamiento y su interacción con los pines de los componentes. Para la simulación de integridad de señal, los componentes solo se modelan en términos de las características de E/S de sus pines.

La herramienta de análisis de integridad de señal necesita:

• Identificar redes que podrían tener niveles inaceptables de reflexiones (sonido de campana)
• Predicir los niveles potenciales de reflexión de señal y diafonía como formas de onda
• Permitir el análisis de qué pasaría si de componentes de terminación potenciales y ayudar a seleccionar componentes de terminación adecuados

Una serie de formas de onda superpuestas que representan el comportamiento de una red al ser barrida sobre un rango de valores de terminación posibles. A la izquierda está sin terminar, a la derecha está con un terminador en serie teórico de 40Ω.

¿Por dónde fluye la energía de retorno?

Pero espera, hay más (¿o deberíamos decir Moore?). La energía eléctrica solo fluye cuando existe un circuito cerrado, por lo que la energía que fluye a lo largo de la ruta de la señal también debe tener una ruta de retorno. Esta ruta de retorno típicamente es proporcionada por el enrutamiento a tierra que debe ofrecer una ruta de retorno para todas las señales en el diseño. Hay un fenómeno interesante que ocurre con las señales que tienen bordes de conmutación rápidos. La energía de retorno de una señal quiere fluir de regreso a lo largo del mismo camino retorcido y giratorio que tomó la ruta de la señal a través de la placa. ¿Por qué? Porque este es el camino de menor impedancia para esa señal. Aunque podría fluir la distancia más corta desde el componente objetivo de regreso al componente fuente, no lo hace.

Cuando una señal de alta velocidad cruza una división en un plano, se crea un bucle, causando que esa señal genere EMI.

Así como se piensa en la trayectoria de enrutamiento para la señal, también se debe asegurar que haya una trayectoria ininterrumpida para la corriente de retorno inmediatamente debajo de la ruta de la señal. Si la energía de retorno tiene que desviarse de debajo de la trayectoria de la señal para sortear un obstáculo, como un agujero en el plano (un estallido), entonces se crea un bucle. El bucle es el espacio entre las dos trayectorias cuando se mira hacia abajo en la placa, y el área de este bucle es proporcional a la cantidad de energía que ahora será radiada por esta señal. Si hay un estallido en el plano que es inevitable, considere redirigir la traza de la señal para adaptarse a la trayectoria de retorno, ya que reducir el área del bucle generalmente se considera más importante que minimizar la longitud de la ruta.

Pares Diferenciales

Las tecnologías modernas de señalización, como los pares diferenciales, ayudan a reducir la necesidad de un plano de retorno de alta calidad al encaminar la ruta de la señal y la ruta de retorno juntas como un par, asegurando que estén estrechamente acopladas tanto en separación como en longitud total. Además del fuerte acoplamiento y la reducida dependencia de un suelo de referencia de alta calidad, los pares diferenciales ofrecen otra gran ventaja: una excelente inmunidad al ruido.

La energía electromagnética que viaja alrededor de la ruta como parte de cada señal no se acopla completamente en el pin de entrada objetivo; parte de ella escapa e interfiere con las señales adyacentes. Esta energía que escapa se convierte en lo que se llama interferencia electromagnética (EMI), y cuando se acopla en una señal vecina, crea lo que se llama diafonía. Los pares diferenciales son buenos para lidiar con la diafonía porque la energía radiada se acopla tanto en la señal de salida como en la señal de retorno, creando lo que se llama ruido de modo común (el ruido es común a ambos caminos de señal). Si solo hubiera una señal única, esta diafonía se sumaría a esa señal y la distorsionaría. Pero los pines de entrada de pares diferenciales están diseñados para mirar la diferencia entre los pines en el par, y por lo tanto, son capaces de rechazar el ruido de modo común.

Estas dos cualidades - la capacidad de igualar estrechamente las longitudes de la señal y su camino de retorno, y la capacidad de resistir los efectos de la diafonía - hacen que los pares diferenciales sean la solución preferida para la señalización de alta velocidad, la cual puede soportar tasas de datos más allá de 10 Gb/s en un PCB.

¿Qué pasa con las Vías?

Si controlar cuidadosamente la impedancia y asegurar que hay un camino de retorno de alta calidad son los primeros dos bordes del triángulo de diseño de alta velocidad, las vías son el tercer borde de ese triángulo. A bajas frecuencias, una vía tiene poco impacto en la calidad de la señal y se puede usar sin considerar su impacto en el rendimiento del circuito. Sin embargo, si tu diseño funciona como un diseño de alta velocidad, las vías pueden impactar en el rendimiento del circuito y la calidad de la señal.

Las vías aparecen como discontinuidades tanto capacitivas como inductivas, por lo que su presencia afecta la impedancia de la ruta de la señal. Además de afectar la impedancia, la longitud no utilizada del barril de la vía se presenta como un stub que puede crear reflexiones. Estudios cuantitativos han demostrado que su impacto puede reducirse abordando cada una de las siguientes áreas:

• Reducir el tamaño del anillo anular donde la ruta de señal se conecta al vía.
• Eliminar los anillos anulares no utilizados en capas a las que el vía no está conectado.
• Aumentar la separación entre el barril del vía y las capas de plano adyacentes.
• Colocar vías de conexión adyacentes a los vías de señal para proporcionar un camino por el cual la corriente de retorno de la señal pueda cambiar de capas de plano.
• Colocación cuidadosa de capacitores de desacoplamiento adyacentes al vía cuando se utilizará un plano de voltaje diferente para llevar la corriente de retorno de la señal.
• Eliminación de los muñones de vía (la longitud extra, no utilizada del vía que sobresale más allá de la capa que la ruta de señal usa para acceder al vía). Esto se hace a través de:
  • diseño de vías y asignaciones cuidadosas de capas para adaptarse al proceso de fabricación, y
  • perforación de profundidad controlada (perforación hacia atrás) para eliminar la sección no utilizada del barril del vía.

Utilizando un proceso de perforación de profundidad controlada, a menudo referido como perforación hacia atrás, se pueden eliminar los barriles de vía no utilizados.

Otro enfoque para minimizar el impacto de las vías en un diseño de alta velocidad es utilizar microvías. Una microvía es una vía pequeña. Las normas IPC (IPC/JPCA-2315 e IPC-2226) definen las microvías como vías ciegas o enterradas con un diámetro igual o inferior a 6 mils (0,15 mm). Un diámetro de 6 mils está en el límite para la perforación mecánica, por lo que las microvías suelen ser perforadas con láser. También se utilizan técnicas híbridas de modificación láser + perforación mecánica de profundidad controlada, como se menciona en este documento, que ofrecen ventajas en la fabricación.

Las microvías ofrecen una serie de ventajas:

• Reducción de parásitos (en el orden de una décima parte de una vía perforada), lo que resulta en una menor inductancia.
• Geometrías más pequeñas, que resultan en un anillo anular más pequeño.
• Reducción del tamaño del estallido en las capas planas por las que pasan.
• Eliminación o reducción de la longitud del muñón. Dado que se construyen como parte del proceso de apilamiento de capas durante la fabricación, pueden conectar entre capas de inicio y fin específicas. Aunque no pueden abarcar cualquier par de capas, la selección cuidadosa de las capas de señal utilizadas para señales de alta velocidad puede asegurar que esas capas tengan acceso a una capa de inicio/fin de microvía.

Interferencia

Debido a que parte de la energía en una señal de alta velocidad viaja a través del material que rodea la ruta, es inevitable que algo de esa energía se acople en rutas adyacentes. Referido como interferencia, esta energía degradará la calidad de esa señal. En el lenguaje de integridad de señal, la señal que está radiando la energía se refiere como la red agresora y la señal que está recibiendo la energía de interferencia se refiere como la red víctima . Entonces, ¿cómo reducir la cantidad de energía que escapa del agresor, y cómo reducir cuánta de esa energía se acopla en la víctima? El enfoque básico es reducir la cantidad de energía que escapa de la ruta agresora a través del emparejamiento de impedancias y el diseño correcto del camino de retorno de la señal, y mantener las posibles redes víctimas alejadas de los agresores.

Las señales de reloj y otras señales periódicas son las principales fuentes de diafonía en un diseño. Una regla de oro frecuentemente utilizada es asegurar que los agresores potenciales, como los relojes, estén separados de las víctimas potenciales por tres veces el ancho del enrutamiento (medido de centro a centro). Esto es conocido como la regla de 3-W. O en términos de borde a borde, la separación debe ser no menos de dos veces el ancho del enrutamiento. Esta es una gran separación, por lo que necesitarás ser selectivo sobre las redes a las que se aplica. Los agresores de alta amenaza, como los relojes, son un grupo. El otro grupo principal a considerar son las víctimas potenciales más sensibles, como los pares diferenciales; este grupo también se beneficia de una separación de par-a-otra-señal de 3-W.

 
Previsión de resonancia en una ruta de agresor no terminada (forma de onda verde), y la diafonía resultante en la ruta de la víctima adyacente (forma de onda azul). Nota que cada gráfico tiene una escala de voltaje diferente.

Bailando en el Tiempo

Por último, pero no menos importante, está el tiempo que tarda la señal en llegar a su pin de entrada destino. Generalmente, una señal no existe en aislamiento. Trabaja en armonía con una multitud de otras señales. Un ejemplo simple sería los 8 bits en un byte de datos. No solo debe llegar el byte completo dentro del tiempo permitido, sino que los bits dentro del byte también deben llegar todos juntos. El tiempo que tarda una señal en viajar de salida a entrada se conoce como tiempo de vuelo, y cualquier diferencia entre los tiempos de llegada de los bits se conoce como desviación de señal.

Los factores clave que influyen tanto en el tiempo de vuelo como en la desviación son:

• La longitud de las rutas de señal, es decir, qué tan lejos tienen que viajar las señales.
• Los materiales por los cuales viajan las señales; esto afecta qué tan rápido viajan las señales.

Manejar estos requiere consideración de:

• Colocación de componentes: una buena colocación de componentes es un elemento clave para el éxito de un diseño de alta velocidad. Utiliza la longitud de Manhattan para guiar la colocación inicial de diferentes componentes que necesitan longitudes de ruta similares, por ejemplo, dispositivos de memoria DDR3 configurados en una topología de rama T.
• Selección de material: el material del cual se fabrica el PCB es un factor crítico en un diseño de alta velocidad. FR4 ha servido bien a la industria del PCB durante décadas, pero su uso se convierte en un factor limitante en diseños de alta velocidad ya que la constante dieléctrica inconsistente de FR4 crea desviación. El material se discute más en la siguiente sección.
• Longitud total de la ruta: además de influir en el tiempo de vuelo, las longitudes totales también son importantes al enrutar conjuntos de redes relacionadas. Por ejemplo, los requisitos de tiempo de DDR especifican que la ruta del reloj sea más larga que las rutas de dirección y control. Estos requisitos se gestionan mediante reglas de diseño de Longitud.
• Longitudes de ruta coincidentes: la desviación se gestiona haciendo coincidir las longitudes de ruta. Es la ruta más larga en un conjunto de señales la que determina la longitud de ruta para cada red en ese conjunto. Las longitudes se hacen coincidir definiendo reglas de diseño de Longitud Coincidente, luego alargando cada ruta más corta para igualar la longitud especificada.

Pares diferenciales: las longitudes se emparejan dentro de los pares y también entre los pares (imagen cortesía de FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

La Placa

Todo esto ocurre en la placa de circuito impreso. Desde que se crearon por primera vez en la década de 1940, la humilde PCB ha experimentado niveles tremendos de refinamiento en tecnología de fabricación y materiales. Esto ha llevado a reducciones enormes en el tamaño de las características, incluyendo el enrutamiento y las vías. Las pistas ya no se fabrican con 20 mils de ancho. Ahora pueden ser tan pequeñas como 2 mils de ancho; y una vía pequeña ya no es de 30/18 mil (land/hole) - es de 12/6 mil. Se creó un nuevo nombre para describir diseños que utilizan características tan pequeñas: técnicas de Interconexión de Alta Densidad (HDI, por sus siglas en inglés). Aunque cuesta más crear las características más pequeñas utilizadas en las placas HDI, su menor tamaño significa que el diseño terminado puede usar menos capas, tener rutas más cortas y mejorar la integridad de la señal, lo que finalmente puede resultar en una placa que podría no costar más fabricar (pero puede ser mucho más difícil de probar y reparar).

Los Materiales

Una gran parte del desafío con un diseño de alta velocidad es gestionar el medio por el cual viajan las señales. El FR4 tradicional ha proporcionado un material de sustrato de placa barato y efectivo durante décadas, pero la estructura no homogénea de la malla de fibra de vidrio incrustada en resina se convierte en un factor limitante para los diseños de alta velocidad. La resina tiene una constante dieléctrica diferente (≈3) de la malla de fibra de vidrio (≈6), y dado que la fibra de vidrio es una estructura tejida con huecos en la malla, la señal ve una constante dieléctrica cambiante a medida que viaja a través de la placa. Debido a esto, hay una gama de materiales FR4 disponibles. Los mejores materiales tienen una estructura de tejido más apretada que ofrece una constante dieléctrica más consistente. La constante dieléctrica del FR4 también cambia con la temperatura en hasta un ± 20%.

Hay materiales superiores disponibles para la fabricación de PCB, como el Teflón o la cerámica, pero estos vienen con un precio. El material del que se fabrica la placa debe considerarse y elegirse al principio del proceso de diseño de PCB en consulta con el fabricante. Para ayudar a equilibrar la selección de materiales contra el costo de los materiales, muchos fabricantes de PCB permiten una mezcla de materiales para que los materiales costosos solo se utilicen para las capas que llevan las señales de alta velocidad.

Las Capas

Como muchos aspectos del diseño de placas de circuito impreso, determinar el mejor número de capas es tanto un arte como una ciencia. El despliegue y el enrutamiento de escape de BGAs densos influirán fuertemente en el número de capas de enrutamiento. Realizar un despliegue de prueba y una ruta de escape para verificar el BGA más denso en el diseño puede ayudar a verificar que hay suficientes capas de señal. Otro enfoque, recomendado por Barry Olney de In-Circuit Design, es realizar una prueba de autoruteo en la placa. Sugiere que si se completan al menos el 85% de las rutas, la placa debería poder ser enrutada manualmente usando el apilado de capas actual.

Agregar y asignar capas se hace en pares. Generalmente, tendrás un par de capas de plano por cada par de capas de señal, o un par de capas de plano por cada dos pares de capas de señal. Así, una placa de cuatro capas tendrá dos de plano y dos de señal; una placa de seis capas tendrá dos de plano y cuatro de señal, una placa de ocho capas tendrá cuatro de plano y cuatro de señal, y una placa de diez capas tendrá cuatro de plano y seis capas de señal. Nota que esto es solo una guía; el objetivo principal es asegurar que cada capa de señal de alta velocidad esté adyacente a una capa de plano.

No todas las señales son de alta velocidad, y no todas las capas pueden configurarse como capas de enrutamiento de alta velocidad, por lo que la práctica estándar es asignar y enrutar las señales de alta velocidad en pares de capas específicos. Cada par de capas de señal debe tener una capa en el par asignada para el enrutamiento vertical y la otra asignada para el enrutamiento horizontal, y esto se debe seguir lo mejor posible para reducir el diafonía entre las capas adyacentes. El par de alta velocidad puede posicionarse a uno u otro lado de una capa de plano o entre dos capas de plano.

El grosor del dieléctrico entre las capas de señal de alta velocidad y la capa de plano de referencia se establecerá para adaptarse a la impedancia característica requerida; típicamente, esto será menos de 10 mils (0,25 mm). Para lograr el grosor total de la placa requerido por razones mecánicas, ajuste el grosor de una o varias capas dieléctricas que no estén adyacentes a una capa de señal de alta velocidad, por ejemplo, la capa central del núcleo.

Posibles Apilamientos de Capas

La tabla a continuación muestra una serie de posibles apilamientos de capas y asignaciones de capas. La disposición de pares de alta velocidad y pares de propósito general se puede cambiar, por ejemplo, si tu diseño de solo seis capas/a través de agujeros puede tener las señales de alta velocidad enrutadas en la capa superior, esta es una buena opción si significa que las señales de alta velocidad no necesitan usar vías. Mantén cada capa de alta velocidad adyacente a una capa de plano, y los grosores dieléctricos circundantes iguales para las capas de alta velocidad.

Configuraciones de capas sugeridas para placas de 4, 6, 8, 10 y 12 capas.

Ahora que comprendes los desafíos del diseño de PCB de alta velocidad, aprende más:

• Características de Altium Designer para el Diseño de Alta Velocidad
• Documentación sobre cómo abordar estos desafíos directamente en Altium Designer