Integridad de señal en PCBs multiplaca: Una guía completa

El diseño de PCBs multi-tablero parece muy simple a primera vista. Estás diseñando un ensamblaje de múltiples tableros y los estás vinculando entre sí con cables, conexiones de borde, conectores mezanine, pines pogo, etc. Los PCBs multi-tablero tienen un conjunto de desafíos de integridad de señal que no siempre se encuentran en sistemas que solo tienen un PCB único. Ya sea que tengas un tablero único o un ensamblaje de múltiples tableros, la integridad de la señal necesita ser mantenida, especialmente en sistemas avanzados encontrados en áreas como militar, aeroespacial, HPC y IA.

¿Dónde se aplican entonces los principios de integridad de señal en un ensamblaje de múltiples PCBs? Hay algunas áreas donde la integridad de la señal necesita ser mantenida y a menudo calificada experimentalmente:

• Configuraciones de pines y interfaces de conectores
• Diseños de cables y arneses
• Conexiones de vuelta a un recinto, por ejemplo, un recinto metalizado

Los problemas de integridad de señal en estas áreas también pueden convertirse en problemas de EMI/EMC, y eso es especialmente cierto en PCBs multi-tablero.

En esta guía, mi objetivo es ilustrar cómo seleccionar componentes y diseñar interconexiones de manera que se mantenga la integridad de la señal entre múltiples tarjetas. Estos pasos aún no eliminan la necesidad de integridad de señal en la PCB; ambas áreas son importantes en los sistemas y ayudan a prevenir problemas de EMI.

Señales y Emisiones en Interconexiones de Múltiples Tarjetas

Cuando nos referimos al diseño de PCBs múltiples, obviamente estamos transfiriendo señales entre dos PCBs, por lo que deberíamos saber algo sobre las señales y las posibles emisiones que pueden crear. Esta referencia a las emisiones es uno de los enlaces fundamentales entre EMI/EMC y el diseño de PCBs múltiples.

El tipo de emisiones y ruido que puedes esperar depende del tipo de señal que necesitas enviar entre dos PCBs:

• Señales diferenciales, que son auto-referenciadas
• Señales de extremo único, que requieren una referencia
• Señales sinusoidales o de banda estrecha, que generalmente son de extremo único

El tipo de señal y la tasa de cambio de flanco determinarán el diseño de tu disposición de pines, asumiendo que la disposición de pines no ha sido predeterminada para ti. Si puedes diseñar tu disposición de pines de manera apropiada y seleccionar el conector adecuado, puedes asegurar la integridad de la señal a través de la interfaz del conector.

Además del diseño del pinout, el propio conector puede ser responsable de problemas de integridad de señal. El principal problema de integridad de señal que puede surgir en conexiones de placa a placa es el exceso de reflexión, que conduce a la radiación. En el campo cercano, la radiación puede rastrearse directamente al cuerpo del conector en sí, más notablemente debido a la falta de una referencia de tierra consistente que contenga una señal. Finalmente, aunque un conector particular pueda tener un pinout apropiado y esté calificado para una cierta tasa de datos, una entrada de traza incorrecta en el cuerpo del conector o los tocones remanentes pueden crear una pérdida excesiva.

Primero, veamos el tipo de conectores que serían necesarios en situaciones donde la integridad de señal es una preocupación mayor.

Mejores Tipos de Conectores para la Integridad de Señal

Los principales proveedores de conectores han desarrollado múltiples sistemas de interconexión de placa a placa que han sido probados para su uso en tasas de datos muy altas. En otras palabras, estos sistemas de conectores han demostrado operar exitosamente hasta anchos de banda de canal muy altos según lo determinado por los parámetros del dispositivo. Algunos ejemplos de estos tipos de conectores incluyen:

• Conectores de montaje en borde de placa a placa con contactos deslizantes
• Conectores tipo cuchilla (vertical y montaje en borde)
• Sistemas de conectores de ranura o cuchilla con montaje a través del orificio, como en los sistemas VPX
• Sistemas de conectores con pines deslizantes
• Conectores de tipo coaxial para arreglos de conectores
• Conectores de montaje BGA de alta densidad

Un gran ejemplo de una parte que puede soportar estas tasas de señales de muy alta velocidad es el par de conectores de acoplamiento de 40 pines de Samtec QTE/QSE, que es mejor conocido como el conector SYZYGY.

Número de parte: Samtec QTE-020-01-F-D-A

En el ámbito de los sistemas RF, particularmente los sistemas de onda milimétrica, también hay productos de conectores coaxiales agrupados que pueden montarse en un PCB e interfaz con un cable. Por ejemplo, el conector SMPM agrupado a continuación.

Número de Parte: TE Connectivity 2441485-1

Finalmente, siempre me gusta presentar un ejemplo de conector pasante que se puede encontrar en los backplanes VPX para ilustrar la utilidad de estos conectores, incluso en interconexiones de alta velocidad. Aunque el conector se monta como un componente pasante, la interfaz de placa a placa no utiliza pines como los que encontrarías en un encabezado. En su lugar, estos son conectores de contacto deslizante que son compatibles con tasas de datos muy altas.

Conectores de acoplamiento Amphenol SpaceVPX VITA 78

Debido a que este conector en particular se monta a través del orificio en una placa de circuito, necesitarías implementar perforación inversa en los pines de mayor velocidad, o tendrías que enrutar a través de todo el apilado. Otra opción es usar vías en forma de bumerán, pero típicamente las placas en las que se usa este tipo de conector no están utilizando capas de construcción HDI debido a preocupaciones sobre la fiabilidad.

Por lo tanto, si se van a usar conectores montados a través del orificio para llevar señales en canales digitales de alta velocidad, asegúrate de planificar cuidadosamente las rutas para que puedas enrutar señales a través del apilado. Aquí es donde la planificación de la disposición de los pines también se volverá importante, como veremos en un momento.

Diseño de Pinout para Interconexiones Multi-Placa de Alta Velocidad

Los pinouts para interconexiones de múltiples tarjetas que soportan señales de alta velocidad necesitan incluir alguna referencia a tierra a través de una interconexión de tarjeta a tarjeta. Esto aplica tanto si se utilizan conexiones directas de tarjeta a tarjeta como conexiones de tarjeta a cable. Al igual que en un apilado de PCB, donde asignamos ciertas capas a planos de tierra, querríamos asignar ciertos pines a tierra en un pinout de conector.

Una regla muy simple es poner a tierra los pines entre señales digitales. Uno de los ejemplos comunes que muestro está en otro artículo sobre el enrutamiento en backplanes, específicamente backplanes VPX. La imagen a continuación muestra el enrutamiento de pares diferenciales en un pinout que funciona a múltiples gigabits por segundo. Note que este conector es un componente montado verticalmente a través del orificio, y las trazas entrantes están cerca de la capa trasera para dejar un stub sobrante mínimo.

Estos pines diferenciales de Gbps se ejecutan en diagonal en este pinout y están separados entre sí por tierra. Aunque podrías pasar muchas más señales a través de este conector, asignar muchos de los pines a tierra es esencial para suprimir el diafonía diferencial y las emisiones radiadas.

Guía de Pinout

Siga estas sencillas pautas para el diseño de pinout para ayudar a asegurar la integridad de la señal:

• Utilice pines de tierra entrelazados cuando sea posible
• Coloque pines de señal única adyacentes a pines de tierra
• En pares diferenciales, coloque los pines positivos y negativos uno al lado del otro
• Evite solapar pines diferenciales en múltiples filas
• Si hay pines sin usar, conéctelos todos a GND

Por Qué Entrelazamos Tierra en los Pines

En los ejemplos anteriores, puede ver que los pines de señal entrante están rodeados por pines de tierra. Esto se hace por tres razones:

• Para minimizar el acoplamiento entre pines
• Para establecer una impedancia de entrada consistente en el conector
• Para suprimir las emisiones radiadas de las señales
• Para contener el ruido de modo común en pines diferenciales

Estas son las razones básicas por las que incluimos pines de tierra tanto en interconexiones de señal única como en interconexiones diferenciales que entran en un conector de múltiples pines. La razón principal es proporcionar tierra para señales de señal única, lo que reducirá las emisiones radiadas y el acoplamiento independiente, especialmente si una señal se enruta hacia un cable. La segunda razón es que a menudo se necesita tierra en los cables para establecer la impedancia del cable, lo cual es cierto para cables estandarizados con cables de par trenzado, como los cables USB.

Lo mismo se aplica a conectores y cables con señales diferenciales. Si bien es cierto que los pares diferenciales se auto-referencian, la presencia de tierra modifica el campo eléctrico alrededor del par diferencial, y es por eso que impacta en el potencial de diafonía diferencial.

Enrutamiento de Entrada de Línea de Transmisión

Los conectores para señales de alta velocidad pueden no tener recomendaciones específicas de entrada de línea de transmisión en la hoja de datos del componente cuando las pistas están en la misma capa que los pines del conector. El conector tendrá alguna impedancia de entrada mirando hacia su cable o conector acoplado, y eso necesita ser emparejado con la impedancia de la línea de transmisión. Normalmente, esto es simplemente una impedancia de 50 ohmios para trazas de extremo único o una impedancia diferencial de 100 ohmios para trazas diferenciales.

Una nota importante sobre trazas diferenciales: una impedancia diferencial de 100 ohmios en este caso realmente corresponde a una impedancia de modo impar de 50 ohmios. Si el interconector es diferencial, asegúrate de que estás emparejando con la impedancia diferencial del conector.

Un ejemplo de entrada de línea en un conector de alta densidad de dos filas se encuentra a continuación. En la imagen, tenemos trazas de extremo único y trazas diferenciales.

En esta imagen de entrada de traza, los pares diferenciales lejos del conector están separados, pero las trazas se acercan entre sí al entrar en el conector. Es apropiado juntarlas más a medida que la ruta entra en los pines del conector, justo como lo harías si estuvieras entrando en los pines de un circuito integrado. Otra característica notable de este conector es el contacto central, que se asigna a GND y permite el uso de múltiples pares diferenciales dentro del grupo de pines.

A continuación, observa que los anchos de las trazas son similares al tamaño del pad. Es posible tener la traza más ancha que el tamaño del pad, pero puede que necesites reducir esa traza al entrar en el pad. Esto puede ser necesario porque, a medida que las trazas se acercan cerca de los pines, podrías violar las distancias de separación, y sería necesario reducir. Recuerda, estas son trazas de impedancia controlada, así que si necesitas tener trazas más estrechas, necesitarás hacer el sustrato más delgado o usar un valor de constante dieléctrica más alto.

Finalmente, podemos tener entrada de traza a través de vías, y esto podría hacerse como vía en pad o una transición más atrás de los pines del conector. Dependiendo del paso de los pines, puede que necesites espaciar las vías para evitar un error de DRC de separación.

Recuerda que estamos tratando con un conector calificado para señales de alta velocidad, por lo que la transición a través del vía también necesita ser diseñada intencionalmente. La intención es igualar la impedancia característica del vía con la impedancia de entrada del pin del conector, con el resultado final de que la impedancia de entrada combinada vista en el vía coincida con la impedancia de tu línea de transmisión. Eso significa dimensionar adecuadamente lo siguiente:

• Tamaño del antipad
• Diámetro del vía
• Tamaño del pad de aterrizaje del vía
• Presencia o eliminación de NFPs
• Ubicación y número de vías de conexión

Generalmente, este es el enfoque que tomarías al tratar con una transición de extremo único o diferencial que requiere un ancho de banda de canal alto. Empieza a ser importante cuando trabajas por encima de aproximadamente 3 GHz, lo cual he mostrado en detalle en otro artículo.

Análisis de Enlaces de Alta Velocidad con Conectores Usando Parámetros-S

Al igual que otros enlaces de alta velocidad, los parámetros S pueden utilizarse para analizar líneas de transmisión con conectores y cables como parte del interconectado. Por supuesto, es posible construir toda la geometría del interconectado utilizando un modelo 3D del cuerpo del conector, e incluso un modelo 3D del cable; luego utilizarías un solucionador de campos electromagnéticos 3D para determinar los parámetros S para todo el enlace. Obviamente, esta es una tarea que consume mucho tiempo, la cual requiere de una gran cantidad de poder de cómputo así como de software especializado.

Afortunadamente, los proveedores de conectores que comercializan sus productos para su uso en enlaces digitales de alta velocidad o enlaces RF de alta frecuencia a menudo proporcionan datos de parámetros S para sus productos en archivos Touchstone. Entonces puedes usar los datos del proveedor del conector para crear un modelo de red lineal para el interconectado y luego determinar los parámetros S en cascada.

Herramientas de análisis como Simbeor, MATLAB y Keysight ADS pueden entonces determinar los parámetros S en cascada para este modelo. Esto indica la transmisión de potencia y las pérdidas a lo largo de todo el interconector. Ahora puedes predecir cómo funcionará el enlace basado en otros parámetros de tu diseño que puedes controlar, notablemente el diseño de la línea de transmisión y el diseño de entrada del conector. En esta red, se deben conocer los parámetros S para cada sección individual, y luego el simulador puede calcular la red en cascada y sus parámetros S.

¿Qué pasa con el problema inverso, donde no se conocen los parámetros S del conector? En este caso, necesitarías usar mediciones para desincrustar los parámetros S del conector. Aquí, el conector forma el DUT en la red lineal, y tus parámetros S del conector se determinan a partir de los parámetros S de la red en cascada usando la desincrustación. Los mismos programas de análisis mencionados anteriormente también pueden usarse para desincrustar los parámetros S del conector, siempre y cuando se conozcan los parámetros S de los otros componentes en la red lineal.

Para aprender más, mira el siguiente video de Ben Jordan.