Zalety i wady ortogonalnego trasowania ścieżek w wielowarstwowych PCB

Czasami widzę pytania na forach, niektóre wpisy na blogach, a nawet notatki aplikacyjne, które nadal zalecają stosowanie trasowania ortogonalnego, zazwyczaj w płytach 2-6 warstwowych. Kiedy patrzę na notatki aplikacyjne, zwykle opieram się na radach Ricka Hartleya i staram się myśleć o tych poradach w kontekście. Niestety, zalecenia w notatkach aplikacyjnych nie zawsze są traktowane z przymrużeniem oka i często są stosowane w sytuacjach, w których nie mają zastosowania.

Ten artykuł dotyczy bardziej tego, kiedy nie używać trasowania ścieżek ortogonalnych, niż tego, jak można je skonfigurować w autorouterze czy podobnym temacie. Jeśli pracowałeś w świecie ultra-wysokich prędkości/wysokich częstotliwości przez długi czas, to prawdopodobnie nie jest to dla Ciebie nic nowego. Dla reszty z nas istnieje pokusa, by opierać się na starych informacjach, które często są podawane bez kontekstu. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku trasowania ścieżek ortogonalnych.

Złe układy warstw prowadzą do przeplotu w trasowaniu

Myślę, że pierwszy raz zobaczyłem rekomendację, aby projektanci stosowali trasowanie ortogonalne, na StackExchange. Ta strona to doskonałe źródło wiedzy na wiele tematów i zdecydowanie jest moim głównym miejscem, do którego się udaję po informacje dotyczące oprogramowania i kodowania. Z elektroniką i projektowaniem PCB stają się coraz bardziej skomplikowane, łatwo jest stosować rekomendacje z tej strony i innych, nie biorąc pod uwagę kontekstu, co prowadzi do przypadków, gdy te wybory projektowe powodują awarię płyty.

Ostatnio miałem klienta, który szukał pomocy w debugowaniu ulepszenia starszego projektu. Klient zdecydował się zastosować klasyczną rekomendację trasowania ścieżek ortogonalnych z 6-warstwowym układem pokazanym poniżej. W tym układzie dwie górne warstwy i dwie dolne warstwy to warstwy sygnałowe. Ścieżki w tych warstwach były trasowane ortogonalnie między układami scalonymi, a standardowe przelotki były używane do przejść między warstwami.

Nie używaj tego prostego układu 6-warstwowego z sygnałami wysokiej prędkości...

Doświadczony projektant powinien już mieć pomysł, co jest nie tak z tym obrazem. Problem polegał na tym, że inżynier próbował ulepszyć projekt, aby użyć nowego MCU, który działa z prędkością 400 MHz z interfejsami wysokiej prędkości, ale bez zmiany układu warstw; projekt miał nadmierne sprzężenie i nie przeszedł testów EMC.

Na tym etapie rozwiązanie powinno być oczywiste; prawidłowo zaprojektuj układ warstw, a nie będziesz musiał polegać wyłącznie na ortogonalnym trasowaniu, aby zapewnić integralność sygnału przy pracy z wysokimi prędkościami zboczy. Jak się okazało, problem ten okazał się problemem integralności zasilania, który ma mniej wspólnego z ortogonalnym trasowaniem, a więcej z układem warstw. Jednakże, nasuwa się pytanie: kiedy należy używać trasowania ortogonalnego?

Kiedy stosować trasowanie ortogonalne ścieżek?

Trasowanie ortogonalne jest używane w dwóch możliwych sytuacjach:

• Aby wyznaczyć kanały trasowania pionowego i poziomego na różnych warstwach
• Aby zapobiec pojemnościowemu sprzężeniu między ścieżkami na sąsiednich warstwach, minimalizując obszar sprzężenia między nimi

Pierwsze zastosowanie jest całkowicie odpowiednie i może znacznie ułatwić trasowanie, pod warunkiem, że układ warstw jest zaprojektowany poprawnie (patrz poniżej).

Jeśli chodzi o integralność sygnału, masz następujące, stopniowo trudniejsze problemy ze sprzężeniem, gdy używasz trasowania ortogonalnego między dwiema sąsiednimi warstwami sygnałowymi:

• Przy niskich szybkościach zbocza, zjawisko przeplotu będzie i tak mniejsze, nawet w sąsiednich warstwach sygnałowych (dotyczy UART, I2C itp.)
• Przy wyższych szybkościach zbocza (takich jak SPI), możesz zauważyć przeplot w bardziej zaawansowanych układach
• W parach różnicowych przeplot będzie różnicowy, co nie może być anulowane w odbiorniku
• Przy bardzo szybkich szybkościach zbocza (sub-ns), zauważysz więcej przeplotu i emisji promieniowanej

Jak to ma działać dla integralności sygnału? Gdy sygnał cyfrowy agresora propaguje, generuje pole magnetyczne, a przełączające się krawędzie sygnału generują zmieniający się strumień magnetyczny w regionie wokół ścieżki; jest to przeplot indukcyjny. Istnieje również pole elektryczne między dwoma liniami; gdy sygnał agresora przełącza się, indukuje prąd przesunięcia w linii ofiary; jest to przeplot pojemnościowy.

Gdy połączenia na sąsiednich warstwach są prowadzone ortogonalnie (wzdłuż kierunków prostopadłych), pole magnetyczne z jednej ścieżki zawsze będzie zorientowane równolegle do pętli przewodnika utworzonej przez ścieżkę ofiary na następnej warstwie, skutecznie eliminując bezpośrednie indukcyjne przeploty. Chociaż ten opis jest technicznie poprawny, jest zbyt uproszczony i nie uwzględnia innych ważnych aspektów rzeczywistego układu i rozmieszczenia PCB. Główne problemy związane z używaniem ortogonalnego trasowania dotyczą prędkości przełączania, sprzęgania i definiowania niezawodnej ścieżki powrotnej. Rick Hartley omawia niektóre z tych ważnych aspektów trasowania i układu warstw w niedawnym wywiadzie.

Pomimo braku sprzężenia indukcyjnego, nadal występuje sprzężenie pojemnościowe, nawet przy małym obszarze przecięcia się ścieżek. Jeśli nie zaprojektowałeś prawidłowo swojej ścieżki powrotnej, pole elektryczne między warstwą sygnałową 1 a jej masą (patrz powyższy obraz) może sprzęgać się z powrotem do sygnałów w warstwie 2 po prostu z powodu różnicy potencjałów przez ich wzajemną pojemność, wytwarzając pojemnościowy przeplot. Impedancja widziana przez sygnał sprzężony pojemnościowo jest niższa, gdy szybkość zbocza sygnału jest szybsza, wytwarzając silniejszy impuls prądowy w ścieżce ofiary.

Zaawansowane projekty jak ten nie będą używać ortogonalnego trasowania ścieżek.

Przy niższych szybkościach zboczy prawdopodobnie nie zauważysz przeplotu pojemnościowego, niezależnie od tego, czy używane jest trasowanie ortogonalne. Nadal będzie się to zdarzać, ale może nie być wystarczająco duże, aby przebić się przez margines szumu jakichkolwiek komponentów podłączonych do ścieżek ofiary. Przy niskiej prędkości sygnały sprzężone indukcyjnie widzą niższą impedancję, dlatego chciałbyś trasować ortogonalnie na sąsiednich warstwach sygnałowych, aby zminimalizować sprzężenie indukcyjne. Praca z niskimi szybkościami zboczy to jeden z przypadków, gdy ortogonalne trasowanie ścieżek na sąsiednich warstwach sygnałowych jest odpowiednie. Dla reszty z nas, zazwyczaj pracujemy poniżej nanosekundy pod względem szybkości zbocza, co wymaga starannego ekranowania/izolacji między warstwami sygnałowymi, starannie zaprojektowanej ścieżki powrotnej, oraz ultrastabilnego dostarczania energii. Wszystko to opiera się na projektowaniu odpowiedniego układu warstw PCB.

Trasuj ortogonalnie, ale użyj masy

Podsumowując, trasowanie ortogonalne nie jest lekarstwem na problemy z integralnością sygnału, szczególnie przeplot przy szybkich szybkościach zbocza. Jednakże, trasowanie ortogonalne jest bardzo użyteczne po prostu do wytyczania kanałów między grupami komponentów. Aby właściwie z niego korzystać, układ warstw musi mieć masę oddzielającą dwie warstwy sygnałowe.

W poniższym przykładzie pokazuję jeden z naszych starszych projektów wielowarstwowych z warstwą sygnałową na zewnętrznej powierzchni. L2 to masa, a L3 zawiera kanał trasowania ortogonalnego. Razem, ten typ trasowania w dwóch prostopadłych kierunkach tworzy superautostradę dla Twoich tras w różnych warstwach. Trasowanie jest bardzo czyste, podzielone na dwa różne kanały, do których można łatwo uzyskać dostęp za pomocą przelotowych otworów wyprowadzających z komponentów po obu stronach płytki. Ułatwia to trasowanie między centralnym MCU a układem RAM na górze płytki.

Układ warstw pokazano poniżej. Ten układ wykorzystuje dwie wewnętrzne warstwy sygnałowe, ale L4 została przeznaczona na piny sterujące i szyny zasilania. Zauważ, że ten sam styl trasowania można zaimplementować na płytce 4-warstwowej z dwoma wewnętrznymi płaszczyznami masy. Główną wytyczną tutaj jest, że trasowanie ortogonalne jest w porządku, pod warunkiem, że masa oddziela dwie warstwy sygnałowe.

To kładzie nacisk na inteligentne rozmieszczanie komponentów na układzie PCB, szczególnie złączy. Jednak nie zawsze masz wolność, aby umieszczać złącza gdziekolwiek chcesz. W rzeczywistym produkcie możesz być ograniczony przez kable wchodzące do obudowy, inne płyty w obudowie, nietypowe rozmieszczenie wyprowadzeń na komponentach oraz nietypowe rozmieszczenie wyprowadzeń na złączach. Problem ze złączami jest prawdopodobnie największym wyzwaniem, ponieważ może poważnie ograniczyć trasowanie, szczególnie gdy rozmieszczenie wyprowadzeń jest ustandaryzowane lub gdy rozmieszczenie wyprowadzeń jest ograniczone przez inny produkt. W takim przypadku, jeśli uda ci się kontrolować rozmieszczenie wyprowadzeń poprzez projektowanie niestandardowych kabli/opasek, możesz łatwiej zaimplementować strategię ortogonalnego trasowania.

Możliwości projektowania trasowania i warstw w Altium Designer^® są pierwszym wyborem do tworzenia twojej płyty i układu. Silnik projektowania oparty na zasadach zapewnia sprawdzanie ścieżki powrotnej i inne ważne DRC podczas tworzenia układu. Będziesz mógł zaprojektować płytki PCB najwyższej jakości dla dowolnej aplikacji. Możesz również symulować różne aspekty zachowania sygnału za pomocą narzędzi do symulacji po układzie w Altium Designer.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.