Pro e contro del routing dei tracciati ortogonali nei PCB multistrato

Occasionalmente vedo domande sui forum, alcuni post su blog e persino note applicative che continuano a raccomandare l'uso del routing ortogonale, solitamente in schede a 2-6 strati. Quando guardo le note applicative, tendo a fare affidamento ai consigli di Rick Hartley e cerco di pensare a questi consigli nel loro contesto. Sfortunatamente, le raccomandazioni nelle note applicative non sono sempre prese con le dovute precauzioni, e spesso vengono applicate in situazioni in cui non sono applicabili.

Questo articolo riguarda più quando non utilizzare il routing di tracce ortogonale, piuttosto che come può essere configurato in un autorouter o un argomento simile. Se hai lavorato nel mondo delle alte velocità/alte frequenze per un lungo periodo di tempo, allora questo probabilmente non è una novità per te. Per tutti gli altri, c'è la tentazione di fare affidamento su informazioni vecchie che spesso vengono fornite senza contesto. Questo è particolarmente vero per il routing di tracce ortogonale.

Stackup Sbagliati Portano a Crosstalk nel Routing

Credo che la prima volta che ho visto la raccomandazione per i progettisti di utilizzare il routing ortogonale sia stata su StackExchange. Questo sito web è un'eccellente risorsa su molti argomenti ed è decisamente la mia risorsa di riferimento per tutto ciò che riguarda il software e la programmazione. Con l'elettronica e il design dei PCB che diventano sempre più complessi, è facile applicare raccomandazioni da questo sito e altri senza considerare il contesto, portando a casi in cui queste scelte di design causano il fallimento di una scheda.

Di recente, ho avuto un cliente che cercava aiuto per il debug di un aggiornamento di un design più vecchio. Il cliente ha deciso di utilizzare la classica raccomandazione di routing delle tracce ortogonali con il 6-layer stackup mostrato di seguito. In questo stackup, i due strati superiori e i due strati inferiori sono strati di segnale. Le tracce in questi strati erano routate ortogonalmente tra gli IC, e sono stati utilizzati via standard passanti per le transizioni tra gli strati.

Non usare questo semplice stackup a 6 strati con segnali ad alta velocità...

Il progettista esperto dovrebbe già avere un'idea di cosa non va in questa immagine. Il problema era che l'ingegnere stava cercando di aggiornare il design per utilizzare un nuovo MCU che funziona a 400 MHz con interfacce ad alta velocità ma senza cambiare lo stackup; il design aveva un'eccessiva diafonia e non ha superato i test EMC.

A questo punto, la soluzione dovrebbe essere ovvia; progettare correttamente l'impilamento e non sarà necessario affidarsi esclusivamente al routing ortogonale per garantire l'integrità del segnale quando si lavora con tassi di transizione elevati. Come si è scoperto, questo si è rivelato essere un problema di integrità della potenza, che ha meno a che fare con il routing ortogonale e più a che fare con la disposizione dei layer. Tuttavia, ciò solleva una domanda: quando si dovrebbe utilizzare il routing ortogonale?

Quando è applicabile il Routing Ortogonale delle Tracce?

Il routing ortogonale viene utilizzato in due situazioni possibili:

• Per creare canali di routing verticale e orizzontale in strati diversi
• Per prevenire il crosstalk capacitivo tra tracce su strati adiacenti minimizzando l'area di accoppiamento tra di loro

Il primo uso è assolutamente appropriato e può rendere il routing molto più semplice, a patto che l'impilamento sia progettato correttamente (vedi sotto).

Per quanto riguarda l'integrità del segnale, si hanno i seguenti problemi di crosstalk progressivamente difficili quando si utilizza il routing ortogonale tra due strati di segnale adiacenti:

• A bassi tassi di variazione, ci sarà comunque meno diafonia, anche nei livelli di segnale adiacenti (applicabile a UART, I2C, ecc.)
• A tassi di variazione più elevati (come per SPI), potresti notare diafonia in chip più avanzati
• In coppie differenziali, la diafonia sarà differenziale, il che non può essere annullato in un ricevitore
• A tassi di variazione molto elevati (sub-ns), noterai più diafonia ed emissioni irradiate

Come dovrebbe funzionare questo per l'integrità del segnale? Mentre un segnale digitale aggressore si propaga, genera un campo magnetico, e i bordi di commutazione del segnale genereranno un flusso magnetico variabile nella regione intorno alla traccia; questa è la diafonia induttiva. Esiste anche un campo elettrico tra le due linee; quando il segnale aggressore commuta, induce una corrente di spostamento nella linea vittima; questa è la diafonia capacitiva.

Quando gli interconnettori sui livelli adiacenti sono instradati ortogonalmente (lungo direzioni perpendicolari), il campo magnetico di una traccia sarà sempre orientato parallelamente al circuito conduttore formato da una traccia vittima sul livello successivo, eliminando efficacemente il cross-talk induttivo diretto. Sebbene questa descrizione sia tecnicamente corretta, è eccessivamente semplificata e non tiene conto di altri aspetti importanti di un vero stackup e layout di PCB. I problemi principali legati all'uso dell'instradamento ortogonale riguardano la velocità di commutazione, il decoupling e la definizione di un percorso di ritorno affidabile. Rick Hartley discute alcuni di questi importanti aspetti di instradamento e stackup in un'intervista recente.

Nonostante la mancanza di accoppiamento induttivo, c'è ancora accoppiamento capacitivo, anche con la piccola area di intersezione tra le tracce. Se non hai progettato correttamente il tuo percorso di ritorno, il campo elettrico tra il livello del segnale 1 e il suo terra (vedi l'immagine sopra) può accoppiarsi di nuovo ai segnali nel livello 2 semplicemente a causa di una differenza di potenziale attraverso la loro capacità reciproca, producendo cross-talk capacitivo. L'impedenza vista dal segnale accoppiato capacitivamente è inferiore quando la velocità del bordo del segnale è più veloce, producendo un impulso di corrente più forte nella traccia vittima.

Design avanzati come questo non utilizzeranno l'instradamento ortogonale delle tracce.

A velocità di commutazione basse, probabilmente non noterai il crosstalk capacitivo, indipendentemente dall'uso del routing ortogonale. Questo fenomeno si verificherà comunque, ma potrebbe non essere sufficientemente ampio da superare il margine di rumore di qualsiasi componente connesso alle tracce vittime. A bassa velocità, i segnali accoppiati induttivamente vedono un'impedenza inferiore, quindi vorresti eseguire il routing ortogonalmente sui livelli di segnale adiacenti per minimizzare l'accoppiamento induttivo. Lavorare con tassi di commutazione bassi è un esempio in cui il routing ortogonale delle tracce nei livelli di segnale adiacenti è appropriato. Per il resto di noi, di solito lavoriamo sotto un nanosecondo in termini di tasso di commutazione, il che richiede un'attenta schermatura/isolamento tra i livelli di segnale, un percorso di ritorno progettato con cura, e un'alimentazione elettrica ultra-stabile. Tutto dipende dal progettare il giusto stackup del PCB.

Usa il Routing Ortogonale, Ma Usa la Terra

Il messaggio da portare a casa qui è semplice: il routing ortogonale non è una cura per i problemi di integrità del segnale, specificamente il crosstalk con tassi di commutazione veloci. Tuttavia, il routing ortogonale è molto utile semplicemente per creare canali tra gruppi di componenti. Per utilizzarlo correttamente, lo stackup deve avere la terra che separa i due livelli di segnale.

Nell'esempio qui sotto, mostro uno dei nostri design multistrato legacy con uno strato di segnale sulla superficie esterna. L2 è la massa e L3 contiene il canale di routing ortogonale. Insieme, questo tipo di routing in due direzioni perpendicolari crea un'autostrada super veloce per i tuoi percorsi nei diversi strati. Il routing è molto pulito, essendo suddiviso in due canali differenti che possono essere facilmente accessibili con vie passanti che partono dai componenti su entrambi i lati della scheda. Questo rende facile il routing tra il MCU centrale e il chip RAM nella parte superiore della scheda.

Lo stackup è mostrato di seguito. Questo stackup utilizza due strati di segnale interni, ma L4 è stato allocato per i pin di controllo e le linee di alimentazione. Nota che potresti implementare lo stesso stile di routing su una scheda a 4 strati con due piani di massa interni. La linea guida principale qui è che il routing ortogonale va bene, purché una massa separi i due strati di segnale.

Questo pone l'accento sulla disposizione intelligente dei componenti nel layout del PCB, specialmente dei connettori. Tuttavia, non si ha sempre la libertà di posizionare i connettori dove si vuole. In un prodotto reale, si possono avere vincoli dovuti ai cavi che entrano nel contenitore, ad altre schede presenti nel contenitore, a disposizioni di pin insolite sui componenti e sui connettori. Il problema dei connettori è probabilmente la sfida più grande poiché può limitare seriamente il routing, specialmente quando la disposizione dei pin è standardizzata o quando è vincolata da qualche altro prodotto. In questo caso, con i connettori, se si riesce a controllare la disposizione dei pin attraverso la progettazione di cavi/guaine personalizzati, si può implementare più facilmente una strategia di routing ortogonale.

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