Avantages et inconvénients du routage de pistes orthogonales dans les PCB multicouches

Je vois occasionnellement des questions sur les forums, certains articles de blog et même des notes d'application qui continuent de recommander l'utilisation du routage orthogonal, généralement sur des cartes de 2 à 6 couches. Lorsque je consulte des notes d'application, j'ai tendance à me référer par défaut aux conseils de Rick Hartley et à essayer de penser à ces conseils dans leur contexte. Malheureusement, les recommandations dans les notes d'application ne sont pas toujours prises avec des pincettes, et elles sont souvent appliquées dans des situations où elles ne sont pas applicables.

Cet article concerne davantage les moments où il ne faut pas utiliser le routage de traces orthogonales, plutôt que la manière dont il peut être configuré dans un autorouteur ou un sujet similaire. Si vous avez travaillé dans le monde des ultra-hautes vitesses/hautes fréquences pendant une longue période, cela ne vous est probablement pas nouveau. Pour les autres, il y a une tentation de se référer par défaut à de vieilles informations qui sont souvent fournies sans contexte. C'est particulièrement vrai pour le routage de traces orthogonales.

De Mauvais Empilements Conduisent au Diaphonie dans le Routage

Je pense que la première fois que j'ai vu une recommandation pour que les concepteurs utilisent le routage orthogonal, c'était sur StackExchange. Ce site web est une excellente ressource sur de nombreux sujets, et c'est définitivement ma ressource de prédilection pour tout ce qui est lié au logiciel et à la programmation. Avec l'électronique et la conception de PCB devenant de plus en plus complexes, il est facile d'appliquer les recommandations de ce site et d'autres sans considérer le contexte, conduisant à des cas où ces choix de conception provoquent l'échec d'une carte.

J'ai récemment eu un client qui cherchait de l'aide pour déboguer une mise à niveau d'une conception plus ancienne. Le client a décidé d'utiliser la recommandation classique de routage de traces orthogonales avec l'empilement à 6 couches montré ci-dessous. Dans cet empilement, les deux couches supérieures et les deux couches inférieures sont des couches de signal. Les traces dans ces couches étaient routées orthogonalement entre les CI, et des vias traversants standards étaient utilisés pour les transitions entre les couches.

Ne pas utiliser cet empilement simple à 6 couches avec des signaux à haute vitesse...

Le concepteur expérimenté devrait déjà avoir une idée de ce qui ne va pas dans cette image. Le problème était que l'ingénieur essayait de mettre à niveau la conception pour utiliser un nouveau MCU qui fonctionne à 400 MHz avec des interfaces à haute vitesse mais sans changer l'empilement ; la conception avait un crosstalk excessif et n'a pas passé les tests CEM.

À ce stade, la solution devrait être évidente ; concevoir correctement l'empilement et vous n'aurez pas à compter uniquement sur le routage orthogonal pour assurer l'intégrité du signal lorsque vous travaillez avec des taux de transition élevés. Comme il s'est avéré, cela s'est transformé en un problème d'intégrité de puissance, qui a moins à voir avec le routage orthogonal et plus à voir avec l'agencement des couches. Cependant, cela soulève la question : quand devriez-vous utiliser le routage orthogonal ?

Quand le routage orthogonal des traces est-il applicable ?

Le routage orthogonal est utilisé dans deux situations possibles :

• Pour créer des canaux de routage verticaux et horizontaux dans différentes couches
• Pour prévenir le couplage capacitif entre les traces sur des couches adjacentes en minimisant la zone de couplage entre elles

La première utilisation est totalement appropriée et elle peut rendre le routage beaucoup plus facile, tant que l'empilement est conçu correctement (voir ci-dessous).

En ce qui concerne l'intégrité du signal, vous avez les problèmes de diaphonie progressivement difficiles suivants lorsque vous utilisez le routage orthogonal entre deux couches de signal adjacentes :

• À faibles vitesses de transition, il y aura de toute façon moins de diaphonie, même dans les couches de signaux adjacents (applicable à UART, I2C, etc.)
• Aux vitesses de transition plus élevées (comme pour SPI), vous pourriez remarquer de la diaphonie dans des puces plus avancées
• Dans les paires différentielles, la diaphonie sera différentielle, ce qui ne peut pas être annulé au niveau d'un récepteur
• À des vitesses de transition très élevées (sub-ns), vous remarquerez plus de diaphonie et d'émissions rayonnées

Comment cela est-il censé fonctionner pour l'intégrité du signal ? Lorsqu'un signal numérique agresseur se propage, il génère un champ magnétique, et les bords de commutation du signal vont générer un flux magnétique changeant dans la région autour de la trace ; ceci est la diaphonie inductive. Il existe également un champ électrique entre les deux lignes ; lorsque le signal agresseur commute, il induit un courant de déplacement dans la ligne victime ; ceci est la diaphonie capacitive.

Lorsque les interconnexions sur des couches adjacentes sont routées orthogonalement (selon des directions perpendiculaires), le champ magnétique d'une trace sera toujours orienté parallèlement à la boucle conductrice formée par une trace victime sur la couche suivante, éliminant ainsi efficacement le couplage inductif direct. Bien que cette description soit techniquement correcte, elle est trop simpliste et ne prend pas en compte d'autres aspects importants d'un empilement et d'une disposition réels de PCB. Les principaux problèmes liés à l'utilisation du routage orthogonal concernent la vitesse de commutation, le découplage et la définition d'un chemin de retour fiable. Rick Hartley discute de certains de ces aspects importants de routage et d'empilement dans une interview récente.

Malgré l'absence de couplage inductif, il y a toujours un couplage capacitif, même avec la petite zone d'intersection entre les traces. Si vous n'avez pas correctement conçu votre chemin de retour, le champ électrique entre la couche de signal 1 et sa masse (voir l'image ci-dessus) peut se coupler aux signaux dans la couche 2 simplement en raison d'une différence de potentiel à travers leur capacité mutuelle, produisant un couplage capacitif. L'impédance vue par le signal couplé capacitivement est plus faible lorsque le taux de montée du signal est plus rapide, produisant une impulsion de courant plus forte dans la trace victime.

Les conceptions avancées comme celle-ci n'utiliseront pas de routage de traces orthogonal.

Aux vitesses de transition plus faibles, vous ne remarquerez probablement pas le couplage capacitif, que le routage orthogonal soit utilisé ou non. Cela se produira quand même, mais cela pourrait ne pas être suffisamment important pour franchir la marge de bruit de tous les composants connectés aux pistes victimes. À basse vitesse, les signaux couplés inductivement voient une impédance plus faible, donc vous voudriez router orthogonalement sur les couches de signal adjacentes afin de minimiser le couplage inductif. Travailler avec des vitesses de transition faibles est un cas où le routage orthogonal des pistes dans les couches de signal adjacentes est approprié. Pour le reste d'entre nous, nous travaillons généralement sous une nanoseconde en termes de vitesse de transition, ce qui nécessite un blindage/isolation soigneux entre les couches de signal, un chemin de retour conçu avec soin, et une alimentation électrique ultra-stable. Tout repose sur la conception du bon empilement de PCB.

Routez Orthogonalement, Mais Utilisez la Masse

Le message à retenir ici est simple : le routage orthogonal n'est pas un remède aux problèmes d'intégrité du signal, spécifiquement le couplage avec des vitesses de transition rapides. Cependant, le routage orthogonal est très utile simplement pour créer des canaux entre des groupes de composants. Pour l'utiliser correctement, l'empilement doit avoir une masse séparant les deux couches de signal.

Dans l'exemple ci-dessous, je montre l'un de nos anciens designs multicouches avec une couche de signal sur la surface extérieure. L2 est la masse et L3 contient le canal de routage orthogonal. Ensemble, ce type de routage dans deux directions perpendiculaires crée une autoroute pour vos routes dans différentes couches. Le routage est très propre, étant divisé en deux canaux différents qui peuvent être facilement accessibles avec des vias traversants venant des composants des deux côtés de la carte. Cela facilite le routage entre le MCU central et la puce RAM en haut de la carte.

La structure est montrée ci-dessous. Cette structure utilise deux couches de signal internes, mais L4 a été alloué aux broches de contrôle et aux rails d'alimentation. Notez que vous pourriez implémenter le même style de routage sur une carte à 4 couches avec deux plans de masse internes. La principale directive ici est que le routage orthogonal est acceptable, tant que la masse sépare les deux couches de signal.

Cela met l'accent sur le placement intelligent des composants dans la disposition du PCB, en particulier des connecteurs. Cependant, vous n'avez pas toujours la liberté de placer les connecteurs où vous le souhaitez. Dans un produit réel, vous pouvez être contraint par les câbles entrant dans le boîtier, d'autres cartes dans le boîtier, des configurations de broches inhabituelles sur les composants et des configurations de broches inhabituelles sur les connecteurs. Le problème des connecteurs est probablement le plus grand défi car il peut sérieusement contraindre le routage, surtout lorsque la configuration des broches est standardisée ou lorsque la configuration des broches est contrainte par un autre produit. Dans ce cas avec les connecteurs, si vous pouvez contrôler la configuration des broches grâce à la conception de câbles/harnais personnalisés, vous pouvez plus facilement mettre en œuvre une stratégie de routage orthogonal.

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