Comment choisir entre le routage de pistes en switchback ou en serpentin pour une densité maximale ?

Avez-vous déjà passé un col de montagne sinueux ? Quand j’étais étudiant, j’empruntais une route de campagne en zigzags qui menait au sommet d’une petite montagne. Ce type de route est également utilisé dans le routage des pistes des circuits imprimés. Cette méthode de routage, appelée routage en switchback, peut être utilisée pour la correspondance de longueur/délai soit à la place, soit parallèlement, à d’autres méthodes d’ajustement des longueurs.

Du fait du grand nombre de méthodes d’ajustement des longueurs et de routage disponibles dans les outils de conception de circuits imprimés, il n’est pas toujours évident de savoir quand opter pour le routage en switchback plutôt que pour une autre méthode d’ajustement des longueurs.

D’ailleurs, certains fabricants de composants recommandent explicitement d’utiliser un routage en switchback ou un routage en trombone avec leurs composants. Jetons un coup d’œil aux méthodes de routage et d’agencement en switchback et à leurs avantages.

Qu’est-ce que le routage en switchback ?

Le routage en switchback est une méthode d’agencement et d’ajustement des longueurs des pistes des PCB qui fait faire à la piste un certain nombre de demi-tours au cours de son routage jusqu’à sa destination. Le routage en switchback est parfois appelé routage en accordéon ou routage en trombone. Il est également parfois utilisé de manière interchangeable avec l’expression routage en serpentin.

Mais si vous regardez certaines méthodes de routage en switchback, vous verrez les pistes dessiner d’intéressants motifs en va-et-vient qui ne ressemblent pas aux méthodes de routage typiques en trombone et en serpentin.

L’alternative la plus proche au routage en switchback est le routage en serpentin classique, dans lequel les pistes sinuent transversalement (perpendiculairement) au sens de la piste. Dans le routage en switchback, des demi-tours successifs sont utilisés pour faire serpenter la longueur de la piste dans le sens longitudinal, plutôt que dans le sens transversal comme c’est le cas dans le routage en serpentin.

D'excellents outils de CAO vous permettront d’utiliser l’une ou l’autre de ces méthodes de routage pour augmenter la densité des pistes ou pour régler le délai/la longueur des réseaux de signaux parallèles.

Chaque méthode de routage offre certains avantages en termes de couplage, de densité des pistes et d’intégrité du signal. Pour les cartes très complexes, il n’est pas rare de trouver un mélange de routage en serpentin, trombone et switchback dans le but de concentrer les pistes dans le plus petit espace possible.

L’image ci-dessous montre un mélange de ces différentes méthodes de routage pour une interface mémoire LPDDR3.

Quand utiliser le routage en switchback ou le routage en serpentin pour votre PCB ?

Si vous jetez un œil à certaines notes d’application de différents composants ou à certaines règles de conception, vous trouverez peut-être des instructions expliquant comment dimensionner une structure de routage en switchback.

Certaines de ces notes d’application indiquent explicitement que vous devez utiliser le routage en switchback (plutôt qu’une autre méthode d’ajustement de longueur) pour faire correspondre correctement les longueurs et les délais au niveau du récepteur pour les paires différentielles ou dans une interface parallèle.

Les avantages du routage en switchback

L’un des principaux avantages du routage en switchback par rapport au routage en serpentin est qu’il permet de compenser le décalage avec une correspondance de longueur requise plus courte. L’image ci-dessous montre des structures de routage en switchback et en serpentin de la même longueur.

Ces deux arrangements sont conçus pour compenser la même quantité de décalage tout en garantissant une densité de routage maximale en décalant les segments de longueur correspondante.

Le motif en switchback nécessite une longueur totale plus courte que le motif en serpentin pour compenser le même décalage.

Pour les bus parallèles à longueur ajustée, on utilise généralement un mélange des deux métodes afin de garder la surface de routage globale du bus raisonnablement petite, comme pour le routage d’interface parallèle illustré ci-dessus.

Les inconvénients du routage en switchback dans les paires différentielles

Le routage en switchback n’est pas toujours le meilleur choix pour les paires différentielles, en particulier lorsque les paires sont très rapprochées et que la masse de référence se trouve loin dans un diélectrique plus épais.

Bien qu'on puisse avoir une longueur totale de tracé plus courte, chaque section utilisée pour la correspondance de longueur applique une discontinuité d’impédance et l’ampleur de la discontinuité dépend de l’espacement entre les sections droites de la paire différentielle. Dans la section d’ajustement de la longueur, l’impédance en mode impair sera légèrement plus élevée que dans les sections très rapprochées.

J’ai abordé les raisons expliquant la déviation de l’impédance en mode impair dans cet article.

Il y a également un problème de conversion de mode, qui se produit chaque fois qu’il y a une asymétrie le long d’une paire différentielle. Dans la zone du switchback, le couplage requis bascule entre le mode différentiel et le mode commun lorsque le signal traverse la zone en zigzag. La conversion de mode fait apparaître du bruit en mode commun sous forme de bruit de mode différentiel au niveau du récepteur, et cette quantité de conversion augmente à des fréquences élevées.

Si du bruit est induit dans la zone du switchback, il peut ne pas être perçu comme un bruit de mode commun au niveau du récepteur. Même lorsque les zones du switchback ne sont pas décalées, il est difficile de maintenir un couplage serré à moins que ces zones ne soient étroitement placées les unes près des autres et ne se suivent sur toute la longueur de la paire.

L’utilisation d’un schéma d’ajustement de la longueur en serpentin pour faire correspondre les pistes d’une paire différentielle est un meilleur choix que le switchback, sauf si l’espace disponible le long du tracé rend cela compliqué. Vous sacrifierez la densité en échange d’une meilleure suppression du bruit en mode commun et d’une réduction de conversion de mode.

En général, conservez un ajustement de longueur minimal

Pour résumer brièvement, il y a deux raisons de conserver des sections d’ajustement des longueurs courtes dans la mesure du possible :

1. Pour maintenir une impédance constante sur toute la longueur
2. Pour empêcher la conversion de mode

Ces effets peuvent être vus dans le domaine temporel au moyen d’une piste à réflectomètre temporel (TDR) ou dans les résultats de simulation. N’importe quel solveur de champs exploitant directement vos données de montage peut vous montrer cet effet.

Dans une piste TDR, une discontinuité d’impédance capacitive peut être observée au niveau de la structure en raison de réflexions. La réduction de l’espacement entre chaque zone de switchback augmentera cette discontinuité d’impédance capacitive. Ce phénomène, et la distorsion produite dans les switchbacks, illustrent la nature complexe de ces structures et les divers compromis impliqués dans le routage en switchback :

• Les structures de délai courtes réduisent la distorsion, mais il existe une plus grande discontinuité d’impédance lorsque le pas entre chaque demi-tour est petit.
• On peut recourir à une structure de délai plus longue avec un espacement plus faible pour réduire une discontinuité d’impédance, mais il peut y avoir un certain degré de distorsion.

Évidemment, ces facteurs sont en concurrence avec la nécessité de réduire le décalage et d’assurer la correspondance du basculement du signal.

Il pourrait y avoir un décalage supplémentaire entre les deux pistes d’une paire différentielle, mais le fait de faire étroitement correspondre la longueur permet de s’assurer que la liaison survivra toujours à ce décalage supplémentaire.

Diaphonie dans les structures en switchback asymétriques

Les méthodes de routage en serpentin et en switchback ont toutes les deux recours à une structure en demi-tour et la zone d’ajustement de la longueur peut agir comme une zone de couplage pour la diaphonie locale (NEXT) ou la diaphonie distante (FEXT) lorsqu'un signal rapide entre dans la structure de délai. La zone de couplage NEXT est limitée tant dans les microrubans que dans les lignes rubans, mais dans les deux cas, le recours à une structure d’ajustement de longueur peut réduire la distance entre les deux réseaux.

Il en résulte une forte diaphonie dans cette zone. Si le signal est suffisamment rapide et si la zone de couplage est suffisamment longue, le couplage peut produire une diaphonie maximale dans cette zone.

C’est une autre raison pour laquelle il est préférable de router des paires différentielles sur des diélectriques plus minces avec une masse de référence sur la couche adjacente. Bien que l’on puisse techniquement router une paire différentielle au-dessus d’une zone sans masse, à condition que les paires soient très rapprochées, le plan de masse a une fonction importante qui est de réduire l’inductance de la piste, et donc la partie de la diaphonie couplée par induction. Cela s’applique à tout type de structure routée (en switchback ou en serpentin).

Les outils de routage et de diaphonie d’Altium Designer® vous offrent un ensemble de fonctionnalités idéales pour implémenter le routage en switchback et examiner les effets de la diaphonie NEXT dans vos conceptions en switchback. Ses fonctionnalités d’ajustement de la longueur en fonction du délai sont idéales pour adapter le délai de plusieurs signaux et pour s’assurer qu’ils restent synchronisés sur toute la carte. Vous aurez également accès à un ensemble puissant d’outils de conception schématique, de fonctionnalités de CAO et d’outils de planification de la production.

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