Devi instradare i segnali nel tuo piano di alimentazione PCB?

Ricevo spesso domande da parte di progettisti che mi chiedono informazioni sull'integrità del segnale e sull'integrità dell'alimentazione, e una domanda rivoltami poco tempo fa mi ha costretto a riflettere (di nuovo!) su alcune pratiche di routing di base in prossimità di piani e versamenti di rame. Ecco la domanda (parafrasata) che ho ricevuto di recente su LinkedIn:

Mi chiedo quale sia il tuo punto di vista sulla commistione tra segnale e alimentazione sullo stesso layer in uno stack-up PCB. È possibile instradare le tracce di segnale sullo stesso layer dei piani di alimentazione? Alcune linee guida per lo stack-up suggeriscono che sia possibile, ma nessuna fornisce consigli concreti.

Ancora una volta, abbiamo un ottimo esempio di linee guida di progettazione ormai consolidate senza un contesto sufficiente. La risposta breve a questa domanda è “sì”, è possibile in determinate situazioni. Questa pratica è abbastanza comune, e la applichiamo sulle schede dei client senza che si verifichino problemi di impedenza, EMC o perdita di potenza CC su tali prodotti, perché lo stack-up è stato progettato correttamente e perché abbiamo pensato a come instradare correttamente la progettazione. Tuttavia, bisogna considerare vari aspetti quando si instradano i segnali su un layer di alimentazione o le piste di alimentazione su un layer di segnale. Le difficoltà derivano dalle considerazioni sull'integrità dell'alimentazione, sull'impedenza controllata e sulla distribuzione dell'alimentazione CC all'interno della scheda.

Come instradare i segnali nel tuo piano di alimentazione PCB

Prima di iniziare a tagliare il layer del piano di alimentazione del PCB con le tracce, dovrai pensare ai requisiti di progettazione nelle seguenti aree:

• Capacità di corrente del piano di potenza
• Segnali a bassa velocità vs. segnali ad alta velocità e impedenza
• Percorsi di ritorno se il piano viene utilizzato come layer di riferimento

Analizziamo ognuna di queste aree in modo più dettagliato.

Capacità di corrente del piano di alimentazione

Ogni volta che progetti un piano di alimentazione, questo avrà una capacità di trasporto di corrente definita legata alle dimensioni del rame che compone il layer del piano. Se inizi a instradare attraverso un piano ad alta potenza, dividi il piano in sezioni e ogni sezione avrà una capacità di corrente inferiore rispetto al layer del piano uniforme. Inoltre, se la forma del tuo layer di alimentazione è molto complessa, potresti finire per creare un imbuto con un'elevata densità di corrente che può diventare piuttosto caldo. Puoi visualizzare effetti di questo tipo in una simulazione di PDN Analyzer^™ (vedi questo articolo per un esempio).

Una soluzione per compensare il routing in un layer di alimentazione è quella di utilizzare un altro layer di alimentazione su un livello adiacente che funzioni in parallelo. In questo modo, suddividi essenzialmente la corrente su due piani paralleli, e questo ti aiuta a non superare la capacità di corrente su una sezione del piano. Per la maggior parte dei dispositivi a basso consumo, non dovrai quasi mai preoccuparti di questo aspetto. Tuttavia, in un sistema ad alta potenza, è probabile che dovrai farlo comunque in modo che il sistema possa fornire energia sufficiente senza surriscaldarsi troppo. Questo avviene spesso, ad esempio, nei backplane (3U/6U) o in altre unità montate su rack.

Impedenza della traccia

Se non instradi le linee a impedenza controllata attraverso il rame del tuo layer di alimentazione, non dovrai preoccuparti più di tanto di questo aspetto. I protocolli digitali single-ended come SPI e I2C, così come i GPIO, possono essere instradati attraverso il rame senza preoccuparci dell'impedenza, perché non hanno specifiche di impedenza, anche se devi comunque seguire le altre linee guida di questo elenco (se applicabili). I protocolli ad alta velocità, in cui l'impedenza è importante, sono un'altra questione e dovrai assicurarti di avere abbastanza spazio per il versamento di rame intorno a queste tracce per garantire che gli obiettivi di impedenza non vengano violati. Se il flusso di potenza si avvicina troppo alle tracce, dovrai utilizzare un calcolo complanare nel tuo layer stack-up per assicurarti di non violare le tolleranze di impedenza.

Il rischio insito nel tagliare un piano applicando un distanziamento elevato è che si finisca per tagliare il rame in troppe sezioni. Se instradi troppe tracce, lascerai molto rame residuo attorno al layout che verrà tagliato in sezioni piccole. Con una scheda a basso numero di layer che richiede anche il controllo dell'impedenza, potresti non avere un altro layer di alimentazione da utilizzare per legare insieme tutte queste sezioni. Se ti accorgi di dover instradare un gran numero di tracce attraverso un layer di alimentazione, potrebbe essere meglio aggiungere semplicemente altri due layer (potenza e massa).

Percorsi di ritorno e routing sulle divisioni del piano di alimentazione

Come nel caso del routing in qualsiasi altra situazione, assicurati di avere un percorso di ritorno ben definito per i segnali nel tuo PCB, soprattutto quando si tratta di routing in un layer di alimentazione. Il problema qui è se instradi in un layer adiacente. Quando instradi nello stesso layer della regione di alimentazione, stai creando degli spazi vuoti in un piano di riferimento. Per le regioni di potenza questo in genere va bene, a meno che non utilizzi la regione di potenza come riferimento per i segnali in un altro layer. Se poi ti capita di instradare su uno di questi spazi vuoti, crei una regione con un'induttanza parassita più alta, che può ricevere più EMI dalla diafonia o da fonti esterne.

Per i protocolli a bassa velocità che si propagano tra due layer di piano, probabilmente si può fare a meno del routing sulla divisione di un piano di alimentazione, purché il piano dell'altro layer sia uniforme. La discontinuità di impedenza creata sarà elettricamente breve, quindi non dovrai preoccuparti delle riflessioni; inoltre, la presenza del piano sull'altro layer contribuirà a garantire che ci sia ancora un percorso di ritorno ben definito, nonostante la maggiore induttanza nella zona con il piano diviso. Per i segnali ad alta velocità, questo è molto più importante: in tali casi faresti forse meglio ad aggiungere un nuovo layer per fare spazio ai segnali piuttosto che tagliare un piano di alimentazione.

Per i protocolli a velocità più elevata, il routing di una stripline su questo tipo di divisione in un layer di piano è problematico, come è stato sottolineato da altri autori. Supponiamo, ad esempio, di instradare una stripline tra un layer di alimentazione e un layer di massa e che il layer di massa presenti una divisione a causa del routing nel layer di alimentazione. Il modello è il seguente.

Qui ho creato un modello molto semplice che può essere utilizzato in una simulazione dell'integrità del segnale; i segnali partono da pad sul layer superiore inondato di ground pour (L1), e abbiamo due divisioni in un layer di piano di alimentazione (L2) che potrebbero essere utilizzate per i segnali di routing. Sul layer di segnale adiacente (L3) abbiamo due gruppi di stripline con impedenza definita (50 Ohm single-ended, coppia differenziale da 100 Ohm). Questi segnali vengono instradati su un piano di massa su L4. Tutti i dielettrici sono spessi 10 mil con Dk = 4/Df = 0,02. Ai via del segnale sono stati aggiunti dei via di collegamento per fornire un'impedenza di ingresso corrispondente nelle stripline di ciascuna configurazione.

Da questo modello di simulazione si evince che le tracce vengono instradate attraverso le divisioni nel layer di alimentazione; una divisione (lato sinistro) è stretta, di 200 mil, mentre l'altra (lato destro) è più larga, di 400 mil. In che modo ciò influirà sull'impedenza e sulle riflessioni, data la presenza di un piano di massa su L4?

In primo luogo, c'è una discontinuità di impedenza in ogni regione del divario. Il canale single-ended ha un'impedenza caratteristica di 58,1 Ohm nella regione del divario, mentre il canale differenziale ha un'impedenza caratteristica di 106,2 Ohm Impedenza caratteristica differenziale in Ohm. Questa differenza non deve sorprendere in quanto i canali differenziali hanno un'impedenza definita dalla distanza tra le due tracce della coppia.

Sebbene vi sia una chiara discrepanza, la domanda successiva è se ciò sia importante o meno in ciascun canale. Possiamo determinarlo osservando i parametri S e l'impedenza nella regione del divario. Ci aspetteremmo che alle basse frequenze il divario appaia invisibile e non abbia un effetto importante sull'impedenza. Tuttavia, a frequenze più elevate, ci aspetteremmo che il divario crei una variazione sensibile nella perdita di ritorno. I grafici seguenti mostrano i risultati della simulazione Simbeor che illustrano la perdita di ritorno (S11) per i canali che attraversano il divario di 200 mil.

Quando si esegue il routing su un divario di 200 mil, i risultati non sono così terribili. Sebbene in genere la perdita di ritorno sia inferiore a -30 dB o meno, spesso siamo disposti ad accettare qualsiasi cosa al di sotto di -10 dB quando ci avviciniamo a frequenze più elevate. Sia i canali single-ended che quelli differenziali soddisfano questi criteri fino a circa 20-25 GHz.

Ora possiamo fare un confronto con il caso di routing sul divario di 400 mil, come mostrato di seguito.

I risultati precedenti sono già scarsi, e questi sono leggermente peggiori di quanto previsto. Lo spettro della perdita di ritorno si avvicina ancora una volta al limite accettabile sia per i canali differenziali che per quelli single-ended instradati attraverso lo spazio di 400 mil. In questi canali, possiamo stimare che il divario aggiunga circa 20-25 dB di perdita di ritorno, a seconda della frequenza, supponendo di partire da una linea di base S11 di -35-40 dB.

Che cosa succede se instradiamo le tracce in questi spazi vuoti nel layer di alimentazione? Sia chiaro, avremo un minimo di diafonia proveniente dalle tracce nel layer superiore. Allo stesso tempo, la presenza del piano di alimentazione e del piano di massa determina collettivamente l'impedenza. Avremmo contemporaneamente sia diafonia che riflessioni, ed entrambe sarebbero più evidenti a larghezze di banda più elevate. Questo conferma i punti precedenti relativi al tempo di salita: le stripline che trasportano segnali più lenti possono andare bene per superare il divario in un layer di alimentazione, ma nei segnali più veloci la larghezza di banda si sovrapporrà al calo nello spettro di perdita di ritorno, e il canale potrebbe non essere funzionale.

Riepilogo

In sintesi, non mi preoccuperei troppo del routing delle tracce nel versamento di rame dell'alimentazione, se stai operando con segnali digitali a bassa velocità che non richiedono il controllo dell'impedenza. Basta fare attenzione al percorso della corrente elettrica intorno al piano di alimentazione e cercare di non suddividere il layer di alimentazione in piccole isole. In altri casi, è necessario utilizzare un livello aggiuntivo ed eseguire lì l'instradamento. Inoltre, presta attenzione ai requisiti di impedenza quando necessario: il rame complanare nel layer di alimentazione posizionato troppo vicino a stripline o microstrisce creerà una deviazione di impedenza, proprio come nell'esempio che mostro utilizzando microstrisce complanari.

E i segnali adiacenti al piano di alimentazione? Per i segnali a velocità moderata, devi assicurarti che ci sia un altro piano di riferimento nelle vicinanze ed evitare il routing attraverso gli spazi vuoti del layer di alimentazione. Per segnali molto veloci, vediamo subito che anche con un piano di massa adiacente (configurazione stripline), avremo comunque una discontinuità di impedenza. Se il divario nel layer di alimentazione è maggiore, la discrepanza di impedenza sarà visibile a frequenze più basse e creerà più riflessioni.

Il Layer Stack Manager in Altium Designer può aiutarti a specificare i layer del segnale e del piano nel tuo PCB, nonché a definire i profili di impedenza da utilizzare nel routing. Quando avrai completato il progetto e vorrai inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365^™ ti permetterà di semplificare la collaborazione e la condivisione dei tuoi progetti.

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