Cosa sono le tracce di protezione nel design dei PCB e funzionano?

Le tracce di protezione in un layout di PCB sono un altro argomento su cui continua ad esserci molta informazione contrastante. Si possono trovare molti riferimenti diversi al loro uso. C'è confusione riguardo a quali tipi di progetti—circuiti analogici, segnali misti o digitali—traggono presumibilmente il maggior beneficio dall'uso delle tracce di protezione; come le tracce di protezione bloccano i campi EM; l'importanza che le estremità delle tracce siano fluttuanti, collegate a terra da un'estremità o collegate a terra da entrambe le estremità e quali tipi di tracce traggono il maggior beneficio dall'uso delle tracce di protezione—microstrip o stripline. Questo articolo affronterà tutti questi argomenti e presenterà dati da hardware reale che documentano perché le tracce di protezione, indipendentemente dalla loro implementazione, non offrono un reale valore e perché l'altezza della traccia sopra il piano e la separazione delle tracce sia il metodo migliore per controllare il diafonia.

Le Origini delle Tracce di Protezione

Le tracce di guardia hanno effettivamente un certo valore in particolari implementazioni di prodotto, specificamente quelle che presentano un'impedenza estremamente alta, un design di PCB analogico a basso rumore e una fonte di alimentazione molto bassa. Ad esempio, in una macchina EKG, che ha un'alta impedenza e una bassa frequenza, esiste il rischio di avere un accoppiamento capacitivo dall'esterno verso la traccia. Il segnale è così basso che non ci vuole molto dall'esterno per disturbarlo. In questo caso, una traccia di guardia attorno alla traccia del segnale può sopprimere l'accoppiamento capacitivo. Quindi, che dire dei progetti analogici rispetto a quelli digitali? È difficile valutare l'utilità della traccia di guardia rispetto all'assenza di traccia di guardia basandosi sul fatto che un prodotto sia un dispositivo analogico o digitale. Definire la situazione basandosi sull'analogico è un termine troppo generale. Per esempio, anche un amplificatore audio di alta potenza è Analogico.

Lo stesso vale per i progetti a segnale misto e se possono essere classificati come buoni "obiettivi" per le tracce di guardia. L'implementazione di un prodotto a segnale misto inizia con un segnale analogico che, in un certo punto, viene convertito in digitale. Questo è realizzato tramite convertitori da analogico a digitale e questa è la definizione usuale di un prodotto a segnale misto. Nelle implementazioni di prodotti odierne, tutte le radio sono digitali al loro interno, anche le parti RF. Il circuito digitale RF non è più realizzato con reti L (induttive) e C (capacitive). Ad esempio, in un telefono cellulare, non si trovano L e C da nessuna parte. Le antenne vanno direttamente in un chip che immediatamente converte quel segnale da analogico a digitale anche a frequenze RF molto elevate. Va anche notato che nelle varie fonti di informazione riguardanti l'uso delle tracce di guardia attualmente in circolazione, sono menzionati sia il diafonia in prossimità che quella a distanza. Nel mondo digitale, la diafonia di preoccupazione è quella retroattiva. Questo è rappresentato nella Figura 1.

Figura 1. Diafonia in Avanti e Indietro vs Lunghezza

Cos'è una Traccia di Guardia?

L'idea alla base delle tracce di guardia è che, inserendo una traccia di guardia tra due linee di trasmissione, si sta bloccando il campo EM tra le due e si sta sopprimendo l'indesiderato crosstalk che si verifica tra di esse. In realtà, inserire una traccia di guardia tra due linee di trasmissione aumenta lo spazio tra esse e è questo aumento di spazio a ridurre il crosstalk, non la traccia di guardia. Se un filo potesse fermare un campo EM, un trasformatore non funzionerebbe. Ciò che ci si aspetta è che, quando l'energia supera quel filo, una parte di essa viene raccolta lungo il percorso. Ci affidiamo a questo per realizzare un trasformatore. Il filo non ferma il campo magnetico.

La traccia è una rete LC distribuita che risuonerà a una certa frequenza. Se la geometria è quella giusta, può risuonare a una frequenza di interesse nel progetto, creando un filtro passa-banda che aumenta il diafonia anziché ridurla. La Figura 2 rappresenta un tale progetto. Questa è l'illustrazione per un backplane di supercomputer fallito che è stato costruito alla fine degli anni '80. Gli ingegneri del progetto erano preoccupati che l'impedenza delle linee di trasmissione del backplane potesse sovraccaricare i driver. Per prevenire ciò, l'impedenza del backplane è stata impostata a 70 ohm. I progettisti del backplane hanno inserito tracce di guardia per controllare la diafonia indesiderata. La lunghezza delle tracce di guardia era tale che risuonavano alla frequenza di clock del computer. Il risultato è stato un accoppiamento indesiderato tra i segnali che si propagavano lateralmente attraverso il backplane, causando l'instabilità del computer. La soluzione è stata abbandonare il progetto e ricominciare da capo. Mai una buona idea quando si sta cercando di colpire finestre di mercato critiche e controllare i costi complessivi di sviluppo del prodotto.

Va anche notato che nei prodotti Internet di oggi, i PCB sono così affollati di circuiti e tracce di segnale che non c'è spazio per le tracce di guardia. Sono un'impossibilità fisica.

Figura 2. Bus Backplane con Tracce di “Guardia”

A quale scopo serve un tracciato di guardia nel controllo del diafonia?

Esiste una notevole quantità di informazioni riguardo al modo in cui i tracciati di guardia sono terminati che aumenta la loro efficacia nel controllo della diafonia. Le opzioni sono: tracciati di guardia flottanti; tracciati di guardia terminati su un'estremità e tracciati di guardia che sono terminati su entrambe le estremità. In realtà, indipendentemente da come i tracciati di guardia sono terminati, sono tutti reti LC risonanti e possono creare un filtro passa-banda e nessuno di essi sta facendo ciò che si presume facciano.

Inoltre, collegare entrambe le estremità di un tracciato a un piano di massa non significa che il tracciato sia stato aggiunto a “massa” né è capace di bloccare il campo EM. I fili di qualsiasi tipo, indipendentemente da come sono connessi le loro estremità, non bloccano i campi EM. È la separazione tra i tracciati che determina come viene controllata la diafonia. La Figura 3 mostra come aumentare lo spazio tra due linee sia il modo per controllare la diafonia tra quelle linee.

Figura 3. Diafonia inversa vs Separazione Bordo a Bordo e Altezza sopra il Piano più Vicino

Inoltre, si sostiene che affinché una traccia di guardia sia efficace in una configurazione a stripline, la traccia di guardia deve avere esattamente la lunghezza della lunghezza accoppiata. Ancora, le caratteristiche geometriche della traccia di guardia non hanno impatto sulla sua capacità di controllare il crosstalk perché è lo spazio tra le tracce a determinare quanto bene viene mitigato l'accoppiamento.

Tracce di Guardia PCB: Microstrip vs. Stripline

Alcune fonti indicano che l'efficacia delle tracce di guardia è diversa per le topologie microstrip rispetto a quelle stripline, con il risultato che le tracce di guardia non sono efficaci per le topologie microstrip ma lo sono per quelle stripline a patto che entrambe le estremità della traccia di guardia siano collegate a terra. Poiché la terminazione, o la mancanza di essa, di una traccia di guardia è irrilevante, lo è anche la sua efficacia in entrambe le configurazioni.

Le Tracce di Guardia Funzionano?

Comprendere cosa funziona nel controllo del crosstalk si riduce a comprendere le regole fondamentali della fisica e come funzionano i campi EM.

La classica realizzazione di tracce ha sempre comportato linee da 5 mil e spazi da 5 mil. È possibile avere questa spaziatura insieme a un'altezza di 5 mil sopra il piano. Questa è la configurazione che si avrebbe su un PCB a quattro strati come una scheda madre di un PC. Questo comporterebbe un crosstalk dell'8%. Se non si desidera ciò e si inserisce una traccia di guardia, sarebbe necessario separare le linee di trasmissione da bordo a bordo di 15 mil. Questo riduce il crosstalk allo 0,8%. Si tratta di una riduzione del crosstalk di 10 volte e si presume che sia dovuto alla traccia di guardia. In realtà, è lo spazio tra le tracce a ridurre l'accoppiamento, non la traccia di guardia. Una volta compresa la fisica della separazione, è facile progettare PCB in modo tale che il crosstalk sia intrinsecamente controllato come parte di quel processo di progettazione.

Nella progettazione di un PCB per controllare il crosstalk, è importante assicurarsi che la linea di trasmissione viaggi su un piano solido e non debba necessariamente essere denominato terra DC. Potrebbe essere un piano Vdd. In questo modo, l'energia si trova tra la traccia e il piano. Più il piano è vicino alla linea di trasmissione, meglio si garantisce che l'energia passi tra la traccia e il piano e non verso le tracce vicine. Idealmente, si inizia il processo di impilamento del PCB posizionando la traccia il più vicino possibile al piano. Quindi, si sceglie un numero che sia realizzabile in produzione. Nella maggior parte dei casi, non è possibile avvicinarsi più di 4 mils. Pertanto, si inizia da 4 mils e poi si imposta la separazione per l'obiettivo di crosstalk e la larghezza della traccia per l'obiettivo di impedenza.

Come Si Valutano Tutti I Dati Sulle Tracce di Guardia Che Ci Sono?

Ci sono molti dati nel settore che presumibilmente supportano tutte le conclusioni che sono state fatte relativamente all'efficacia delle tracce di guardia. Tuttavia, è importante ricordare che le simulazioni e le equazioni proposte si basano sulla teoria e non sui risultati effettivi su hardware. Le simulazioni hanno il loro valore ma è solo quando sono supportate da prove fisiche effettive su circuiti stampati che possono essere considerate corrette.

Alla fine, le tracce di guardia controllano il crosstalk in qualche modo?

Le tracce di guardia sui PCB, indipendentemente dalle loro implementazioni e terminazioni, non controllano il crosstalk. Infatti, poiché le tracce di guardia possono creare filtri passa-banda, possono effettivamente aumentare il crosstalk e non ridurlo. Una buona comprensione dei fondamenti della fisica e del funzionamento dei campi EM è il tuo miglior arsenale per ridurre il crosstalk.

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Riferimenti:

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