Qu'est-ce que les pistes de garde dans la conception de PCB et sont-elles efficaces ?

Les pistes de garde dans une disposition de PCB sont un autre sujet où il continue d'exister beaucoup d'informations contradictoires. Vous pouvez trouver de nombreuses références différentes quant à leur utilisation. Il y a confusion sur les types de conceptions—circuit analogique, signal mixte ou numérique—qui bénéficieraient le plus de l'utilisation des pistes de garde ; comment les pistes de garde bloquent les champs EM ; l'importance que les extrémités des pistes soient flottantes, reliées à la terre d'un côté ou des deux côtés et quels types de pistes bénéficient le plus de l'utilisation des pistes de garde—microstrip ou stripline. Cet article abordera tous ces sujets et présentera des données issues de véritables matériels qui documentent pourquoi les pistes de garde, indépendamment de leur mise en œuvre, n'apportent aucune valeur réelle et pourquoi la hauteur de la piste au-dessus du plan et la séparation des pistes est la meilleure méthode pour contrôler le diaphonie.

L'Origine des Pistes de Garde

Les pistes de garde ont en effet une certaine valeur dans des mises en œuvre de produits spécifiques, notamment ceux qui présentent une impédance extrêmement élevée, une conception de PCB analogique à faible bruit et une source d'alimentation très faible. Par exemple, dans une machine EKG, qui a une haute impédance et une basse fréquence, il existe un risque de couplage capacitif de l'extérieur vers la piste. Le signal est si faible qu'il ne faut pas beaucoup de l'extérieur pour le perturber. Dans ce cas, une piste de garde autour de la piste de signal peut supprimer le couplage capacitif. Alors, qu'en est-il des conceptions analogiques par rapport aux conceptions numériques ? Il est difficile de déterminer la valeur d'une piste de garde par rapport à l'absence de piste de garde en se basant sur le fait qu'un produit soit un dispositif analogique ou numérique. Définir la situation uniquement sur la base du terme analogique est bien trop général. Par exemple, un amplificateur audio de haute puissance est également analogique.

La même chose est vraie pour les conceptions de signaux mixtes et si elles peuvent être classées comme de bons « cibles » pour les pistes de garde. Une mise en œuvre de produit à signaux mixtes commence avec un signal analogique qui est, à un certain moment, converti en signal numérique. Ceci est accompli par des convertisseurs A vers D et c'est la définition habituelle d'un produit à signaux mixtes. Dans les mises en œuvre de produits d'aujourd'hui, tous les radios sont numériques à l'intérieur, même les parties RF. Le circuit numérique RF n'est plus constitué de réseaux L (inductifs) et C (capacitifs). Par exemple, dans un téléphone mobile, il n'y a pas de Ls et de Cs à trouver nulle part. Les antennes vont directement dans une puce qui transforme immédiatement ce signal d'analogique à numérique même à des fréquences RF très élevées. Il convient également de noter que dans les diverses sources d'information concernant l'utilisation des pistes de garde actuellement en circulation, les diaphonies proches et éloignées sont notées. Dans le monde numérique, la diaphonie qui préoccupe est la diaphonie arrière. Ceci est illustré dans la Figure 1.

Figure 1. Diaphonie Avant et Arrière vs Longueur

Qu'est-ce qu'une Piste de Garde ?

L'idée principale derrière les pistes de garde est que lorsque vous placez une piste de garde entre deux lignes de transmission, vous bloquez le champ électromagnétique (EM) entre les deux et supprimez le crosstalk indésirable se produisant entre elles. En réalité, insérer une piste de garde entre deux lignes de transmission augmente l'espace entre elles et c'est cette augmentation de l'espace qui réduit le crosstalk, et non la piste de garde. Si un fil pouvait arrêter un champ EM, un transformateur ne fonctionnerait pas. Ce qui est attendu, c'est que lorsque l'énergie dépasse ce fil, une partie de celle-ci est captée en chemin. Nous dépendons de cela pour fabriquer un transformateur. Le fil ne stoppe pas le champ magnétique.

La trace est un réseau LC distribué qui résonnera à une certaine fréquence. Si la géométrie est adéquate, elle peut résonner à une fréquence d'intérêt dans la conception, créant ainsi un filtre passe-bande qui augmente le diaphonie au lieu de la réduire. La figure 2 illustre une telle conception. Il s'agit du dessin technique d'un backplane de superordinateur qui a échoué, construit à la fin des années 1980. Les ingénieurs du projet étaient préoccupés par le fait que l'impédance des lignes de transmission du backplane surchargerait les pilotes. Pour éviter cela, l'impédance du backplane a été réglée à 70 ohms. Les concepteurs du backplane ont inséré des traces de garde pour contrôler la diaphonie indésirable. La longueur des traces de garde était telle qu'elles résonnaient à la fréquence d'horloge de l'ordinateur. Le résultat était un couplage indésirable entre les signaux se propageant latéralement à travers le backplane, ce qui rendait l'ordinateur instable. La solution a été d'abandonner la conception et de recommencer. Jamais une bonne idée lorsque vous essayez d'atteindre des fenêtres de marché critiques et de contrôler les coûts globaux de développement du produit.

Il convient également de noter que dans les produits Internet d'aujourd'hui, les PCB sont tellement encombrés de circuits et de traces de signal qu'il n'y a pas de place pour les traces de garde. Elles sont physiquement impossibles.

Figure 2. Bus de backplane avec des traces de "garde"

Dans quel but une trace de garde contrôle-t-elle le diaphonie ?

Il existe une quantité significative d'informations concernant la manière dont les traces de garde sont terminées qui augmente leur efficacité dans le contrôle de la diaphonie. Les options sont : les traces de garde flottantes ; les traces de garde terminées à une extrémité et les traces de garde qui sont terminées aux deux extrémités. En réalité, quelle que soit la manière dont les traces de garde sont terminées, elles constituent toutes des réseaux LC résonnants et peuvent créer un filtre passe-bande et aucune d'entre elles ne fait ce qu'elles sont censées faire.

De plus, connecter les deux extrémités d'une trace à un plan de masse ne signifie pas que la trace a été ajoutée à la "masse" ni qu'elle est capable de bloquer le champ EM. Les fils de toute sorte, peu importe comment leurs extrémités sont connectées, ne bloquent pas les champs EM. C'est la séparation entre les traces qui détermine comment la diaphonie est contrôlée. La figure 3 montre comment augmenter l'espacement entre deux lignes est la manière de contrôler la diaphonie entre ces lignes.

Figure 3. Diaphonie inverse vs Séparation Bord à Bord et Hauteur au-dessus du Plan le Plus Proche

De plus, il est allégué que pour qu'une trace de garde soit efficace dans une configuration en stripline, la trace de garde doit avoir exactement la longueur de la longueur couplée. Encore une fois, les caractéristiques géométriques de la trace de garde n'ont aucun impact sur sa capacité à contrôler le diaphonie car c'est l'espace entre les traces qui détermine à quel point le couplage est atténué.

Traces de garde sur PCB : Microstrip vs. Stripline

Un certain nombre de sources indiquent que l'efficacité des traces de garde est différente pour les topologies microstrip par rapport aux topologies stripline, le résultat étant que les traces de garde ne sont pas efficaces pour les topologies microstrip mais le sont pour les striplines tant que les deux extrémités de la trace de garde sont reliées à la terre. Puisque la terminaison ou l'absence de terminaison d'une trace de garde est sans importance, son efficacité sur l'une ou l'autre configuration l'est également.

Les traces de garde fonctionnent-elles ?

Comprendre ce qui fonctionne dans le contrôle de la diaphonie revient à comprendre les règles fondamentales de la physique et le fonctionnement des champs EM.

Le routage classique a toujours été de 5 mils pour les lignes et 5 mils pour les espaces. Vous pouvez avoir cet espacement avec une hauteur de 5 mils au-dessus du plan. C'est la configuration que vous auriez sur un PCB à quatre couches, tel qu'une carte mère de PC. Cela vous donnerait 8 % de diaphonie. Si vous ne vouliez pas cela et que vous insériez une piste de garde, vous devriez séparer les lignes de transmission bord à bord de 15 mils. Cela réduit la diaphonie à 0,8 %. C'est une réduction de la diaphonie de 10 à 1 et on suppose que c'est dû à la piste de garde. En réalité, c'est l'espace entre les pistes qui a réduit le couplage, et non la piste de garde. Une fois que la physique de la séparation est comprise, il est facile de concevoir des PCB de manière à ce que la diaphonie soit intrinsèquement contrôlée dans le cadre de ce processus de conception.

Lors de la conception d'un PCB pour contrôler le diaphonie, vous voulez vous assurer que la ligne de transmission passe au-dessus d'un plan solide et qu'elle n'a pas besoin d'être nommée masse DC. Cela pourrait être un plan Vdd. De cette manière, l'énergie se trouve entre la piste et le plan. Plus le plan est proche de la ligne de transmission, mieux vous assurez que l'énergie passe entre la piste et le plan et non vers les pistes voisines. Idéalement, vous commencez votre processus de superposition de PCB en plaçant la piste aussi près que possible du plan. Ensuite, vous choisissez un nombre qui est manufacturable. Dans la plupart des cas, il n'est pas possible de se rapprocher à moins de 4 mils. Ainsi, vous commencez à 4 mils puis vous définissez la séparation pour l'objectif de diaphonie et la largeur de la piste pour l'objectif d'impédance.

Comment évaluez-vous toutes les données sur les traces de garde disponibles?

Il existe beaucoup de données dans l'industrie qui soutiennent supposément toutes les conclusions qui ont été tirées concernant l'efficacité des traces de garde. Mais, il est important de se rappeler que les simulations et les équations proposées sont basées sur la théorie et non sur des résultats réels sur le matériel. Les simulations ont leur valeur mais c'est seulement lorsqu'elles sont étayées par des preuves physiques réelles de circuits imprimés qu'elles peuvent être considérées comme correctes.

En fin de compte, les pistes de garde contrôlent-elles du tout le diaphonie ?

Les pistes de garde sur les PCB, quelles que soient leurs mises en œuvre et terminaisons, ne contrôlent pas la diaphonie. En fait, parce que les pistes de garde peuvent créer des filtres passe-bande, elles peuvent en réalité augmenter la diaphonie et non la réduire. Une bonne compréhension des fondamentaux de la physique et du fonctionnement des champs EM est votre meilleur arsenal pour réduire la diaphonie.

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Références :

1. Ritchey, Lee W. et Zasio, John J., « Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volume 1. »