Faut-il router les signaux dans le plan d'alimentation de votre circuit imprimé ?

Je reçois souvent des questions de concepteurs sur des sujets tels que l'intégrité des signaux et l'intégrité de l'alimentation. Cette dernière question m'a forcé à réfléchir (encore une fois !) à certaines pratiques de routage de base près des plans et des coulées de cuivre. Voici la question (paraphrasée) que j'ai récemment reçue sur LinkedIn :

Je me demande quel est votre avis concernant le mélange des signaux et de l'alimentation sur la même couche dans un empilage de circuits imprimés. Est-il acceptable de router les pistes des signaux sur la même couche que les plans d'alimentation ? J'ai vu des directives sur l'empilage qui suggèrent que c'est correct, mais personne ne donne réellement de recommandations à ce sujet.

Une fois de plus, voilà un excellent exemple d'une directive de conception de longue date sans suffisamment de contexte. La réponse courte à cette question est «oui, il est possible de procéder ainsi dans certaines situations». Cette pratique est assez courante. Et nous le faisons sur les cartes de nos clients sans qu'il y ait de problème d'impédance, de CEM ou de perte de courant continu sur ces produits, car l'empilage a été conçu correctement et parce que nous avons réfléchi à la manière de router la conception de manière adéquate. Cependant, il faut tenir compte de plusieurs aspects lors du routage des signaux sur une couche d'alimentation ou lors du routage des rails d'alimentation sur une couche de signaux. Les difficultés proviennent des considérations relatives à l'intégrité de l'alimentation, à l'impédance contrôlée et à la distribution de l'alimentation en courant continu dans votre carte.

Comment router les signaux dans le plan d'alimentation de votre circuit imprimé ?

Avant de commencer à découper la couche du plan d’alimentation de votre circuit imprimé avec des pistes, vous devez réfléchir aux exigences de votre conception dans les domaines suivants :

• conductivité électrique du plan d'alimentation ;
• signaux et impédance basse vitesse ou haute vitesse ;
• chemins de retour si le plan est utilisé comme couche de référence.

Examinons chacun de ces éléments plus en détail.

Conductivité électrique du plan d'alimentation

Chaque fois que vous concevez un plan d'alimentation, il aura une conductivité électrique définie liée aux dimensions du cuivre qui composent la couche du plan. Si vous commencez le routage dans un plan haute puissance, vous découpez le plan en sections, et chaque section aura une conductivité électrique inférieure à la couche uniforme du plan. De plus, si la forme de votre couche d'alimentation est très complexe, vous risquez de créer un entonnoir avec une densité de courant élevée, qui peut devenir assez chaude. Vous pouvez visualiser ce type d'effets dans une simulation PDN analyzer (consultez cet article pour voir un exemple).

Une solution pour compenser le routage dans une couche d'alimentation consiste à utiliser un autre plan d'alimentation sur une couche adjacente qui fonctionne en parallèle. Dans ce cas, le courant est réparti sur deux plans parallèles, ce qui vous permet de ne pas dépasser la conductivité électrique sur une section de plan. Pour la plupart des appareils de faible puissance, vous n'avez généralement pas à vous en soucier. Cependant, si vous disposez d'un système puissant, vous devrez probablement le faire quand même afin qu'il fournisse suffisamment de puissance sans trop chauffer. C'est le cas des fonds de panier (3U/6U) ou d’autres unités montées en rack.

Impédance de piste

Si vous ne routez pas les lignes d'impédance contrôlée à travers une coulée de cuivre sur votre couche d'alimentation, vous n'aurez pas à vous en soucier réellement. Les protocoles numériques asymétriques tels que les SPI et I2C, ainsi que les GPIO, peuvent être routés à travers la coulée de cuivre sans vous préoccuper de l'impédance, car ils n'ont pas de spécification d'impédance. Toutefois, le cas échéant, vous devez suivre les autres directives indiquées dans cette liste. Les protocoles haute vitesse pour lesquels l'impédance est importante sont un autre sujet. Vous devez vous assurer que vous avez suffisamment d'espace de coulée de cuivre autour de ces pistes afin de vous assurer que les cibles de l'impédance sont respectées. Si votre coulée de puissance est trop proche de vos pistes, vous devez utiliser un calcul coplanaire dans votre empilage de couches pour vous assurer de respecter les tolérances d'impédance.

Si vous découpez un plan en appliquant un espacement élevé, vous risquez de finir par couper le cuivre en trop de sections. Si vous routez trop de pistes, vous laisserez une grande quantité de cuivre sur le routage, qui sera découpé en petites sections. Dans le cas d'un circuit imprimé avec peu de couches qui nécessite également un contrôle de l'impédance, vous ne disposerez peut-être pas d'une couche d'alimentation à utiliser pour relier toutes ces sections. Si vous constatez que vous devez router un grand nombre de pistes à travers une couche d'alimentation, vous feriez mieux d'ajouter deux couches supplémentaires (alimentation et masse).

Chemins de retour et routage sur les divisions du plan d'alimentation

Comme c'est le cas pour le routage dans toute autre situation, assurez-vous que vous disposez d'un chemin de retour bien défini pour les signaux dans votre circuit imprimé, en particulier lorsque vous effectuez le routage dans une couche d'alimentation. Le problème qui se pose ici est celui du routage dans une couche adjacente. Lorsque vous routez dans la même couche que votre zone d’alimentation, vous placez des espacements dans un plan de référence. Pour les zones d'alimentation, cela ne pose généralement pas de problème, à moins que vous n'utilisiez la zone d'alimentation comme référence pour les signaux d'une autre couche. Ensuite, si vous devez router l'un de ces espacements, vous créerez une zone avec une inductance parasite plus élevée. Cette dernière peut recevoir davantage d'interférences électromagnétiques provenant de la diaphonie ou de sources externes.

Pour les protocoles faible vitesse qui se propagent entre deux couches de plan, vous pouvez probablement vous en sortir avec un routage sur un plan d'alimentation divisé tant que le plan de l'autre couche est uniforme. La discontinuité d'impédance que vous créez sera électriquement courte, vous n'aurez donc pas à vous soucier des réflexions. En outre, la présence du plan sur l'autre couche permet de s'assurer qu'il y a toujours une voie de retour bien définie, malgré l'inductance plus élevée dans la zone où le plan est divisé. Pour les signaux à haute vitesse, cet aspect est beaucoup plus important. Il est préférable d'ajouter une nouvelle couche pour faire de la place pour ces signaux plutôt que de découper un plan d'alimentation.

Pour les protocoles à plus grande vitesse, l'acheminement d'une stripline sur ce type de séparation dans une couche plane pose un problème, comme l'ont souligné d'autres auteurs. Supposons, par exemple, que nous routons une piste entre une couche d'alimentation et une couche de masse. Cette dernière est divisée à cause du routage dans la couche d'alimentation. Cela ressemblerait au modèle suivant.

Ici, j'ai créé un modèle très basique qui peut être utilisé dans une simulation d'intégrité du signal. Les signaux partent des pastilles situées sur la couche supérieure inondée par le plan de masse (L1). Deux divisions peuvent être utilisées pour le routage des signaux (L2). Sur la couche de signaux adjacente suivante (L3), nous avons deux groupes de lignes ruban avec une impédance définie (50 Ohm sur la paire asymétrique et 100 Ohm sur la paire différentielle). Ces signaux sont acheminés sur un plan de masse (L4). Tous les diélectriques ont une épaisseur de 10 millièmes de pouce avec Dk= 4/Df=0,02. Les vias de signal ont des vias d'assemblage ajoutés pour fournir une impédance d'entrée adaptée en fonction des lignes rubans de chaque configuration.

D'après ce modèle de simulation, les pistes sont routées entre les divisions de la couche d'alimentation. Une division (côté gauche) a une largeur de 200 millièmes de pouce et l'autre (côté droit) de 400 millièmes de pouce. En quoi cela affectera-t-il l'impédance et les réflexions étant donné qu'il y a un plan de masse sur L4 ?

Tout d'abord, il y a une discontinuité d'impédance dans chaque zone d'espacement. Le canal asymétrique a une impédance caractéristique de 58,1 Ohms dans la zone d'espacement, tandis que celle du canal différentiel s'élève 106,2 Ohms. Cette différence n'est pas surprenante, car l'impédance des canaux différentiels est définie par l'espacement entre les deux pistes de la paire.

Bien qu'il y ait un décalage évident, nous devons savoir si cela a de l'importance dans chaque canal. Nous pouvons le déterminer en examinant les paramètres S et l'impédance dans la zone d'espacement. Nous nous attendons à ce qu'à basse fréquence, l'espacement semble invisible et n'ait pas d'effet majeur sur l'impédance. Cependant, à des fréquences plus élevées, on peut s'attendre à ce que l'espacement entraîne une modification notable de la perte de retour. Les graphiques ci-dessous montrent les résultats de la simulation Simbeor illustrant la perte de retour (S11) pour le routage des canaux sur l'espacement de 200 millièmes de pouce.

Lors du routage sur l'espacement de 200 millièmes de pouce, les résultats ne sont pas si mauvais. Bien que la perte de retour soit généralement inférieure ou égale à -30 dB, nous sommes souvent prêts à accepter des valeurs inférieures à -10 dB lorsque nous atteignons des fréquences plus élevées. Les canaux asymétriques et différentiels répondent à ces critères jusqu'à environ 20-25 GHz.

Nous pouvons maintenant comparer ces résultats avec le routage sur l'espacement de 400 millièmes de pouce, comme indiqué ci-dessous.

Les résultats précédents sont déjà peu souhaitables, et, comme prévu, ceux-ci sont moins bons. Le spectre de perte de retour s'approche toujours de la limite acceptable pour les canaux asymétriques et différentiels routés sur l’espacement de 400 millièmes de pouce. Dans ces canaux, en supposant que nous partons d'une valeur de référence S11 de -35 à 40 dB, nous pouvons estimer que, selon la fréquence, l'espacement ajoute environ 20 à 25 dB de perte de retour.

Que se passe-t-il si nous routons des pistes dans ces espacements de la couche d'alimentation ? Cela produira une diaphonie provenant des pistes de la couche supérieure. Par ailleurs, la présence du plan d'alimentation et du plan de masse détermine collectivement l'impédance. La diaphonie et les réflexions se produiront simultanément. De plus, leur l'importance sera plus perceptible à des bandes passantes plus élevées. Ce constat confirme les points ci-dessus concernant le temps de montée : les lignes ruban transportant des signaux plus lents peuvent être routées sans problème via l'espacement dans une couche d'alimentation, mais les signaux plus rapides verront leur bande passante chevaucher le creux du spectre de perte de retour. En outre, le canal risque de ne pas fonctionner.

RÉSUMÉ

En résumé, si vous travaillez avec des signaux numériques à faible vitesse qui ne nécessitent pas de contrôle de l'impédance, je ne me préoccuperais pas trop du routage des pistes dans la coulée de cuivre d'alimentation. Il suffit de faire attention au chemin du courant électrique autour du plan d'alimentation et d'essayer de ne pas découper la couche d'alimentation en petits îlots. Dans d'autres cas, il est préférable d'utiliser une couche supplémentaire et de la router. En outre, le cas échéant, il faut tenir compte des exigences d'impédance : le cuivre coplanaire de la couche d'alimentation placé trop près des lignes ruban ou microruban créera un écart d'impédance, comme dans l'exemple que j'ai montré qui utilise des microrubans coplanaires.

Qu'en est-il des signaux adjacents au plan d'alimentation ? Pour les signaux à vitesse modérée, vous devez vous assurer qu'il existe un autre plan de référence à proximité et éviter le routage dans les espacements de la couche d'alimentation. Pour les signaux très rapides, on constate rapidement que même avec un plan de masse adjacent (configuration en ligne ruban), il y aura toujours une discontinuité d'impédance. Si l'espacement dans la couche d'alimentation est plus grand, la désadaptation d'impédance se manifestera à des fréquences plus basses et créera davantage de réflexions.

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