Co to są ścieżki ochronne w projektowaniu PCB i czy są skuteczne?

Ścieżki ochronne na układzie PCB to kolejny obszar, w którym nadal istnieje wiele sprzecznych informacji. Można znaleźć wiele różnych odniesień do ich zastosowania. Panuje zamieszanie co do tego, które typy projektów—obwody analogowe, mieszane sygnały czy cyfrowe—najbardziej korzystają z użycia ścieżek ochronnych; jak ścieżki ochronne blokują pola EM; znaczenie posiadania końcówek ścieżek unoszących się, uziemionych z jednej strony lub uziemionych z obu stron oraz które typy ścieżek najbardziej korzystają z użycia ścieżek ochronnych—mikropaski czy stripliny. Ten artykuł zajmie się wszystkimi tymi tematami i przedstawi dane z rzeczywistego sprzętu, które dokumentują, dlaczego ścieżki ochronne, niezależnie od ich implementacji, nie zapewniają rzeczywistej wartości oraz dlaczego wysokość ścieżki nad płaszczyzną i odległość między ścieżkami to najlepsza metoda na kontrolowanie przeplotu.

Pochodzenie ścieżek ochronnych

Ścieżki ochronne mają rzeczywiście pewną wartość w szczególnych realizacjach produktów, zwłaszcza tych, które charakteryzują się bardzo wysoką impedancją, niskoszumowym analogowym projektem PCB i bardzo niskim źródłem zasilania. Na przykład, w maszynie EKG, która ma wysoką impedancję i niską częstotliwość, istnieje ryzyko pojemnościowego sprzęgania z zewnątrz do ścieżki. Sygnał jest tak niski, że nie potrzeba wiele z zewnątrz, aby go zakłócić. W takim przypadku, ścieżka ochronna wokół ścieżki sygnałowej może tłumić sprzęganie pojemnościowe. Co więc z projektami analogowymi w porównaniu do cyfrowych? Trudno jest rozłożyć wartość ścieżki ochronnej w porównaniu do braku takiej ścieżki, opierając się na tym, czy produkt jest urządzeniem analogowym czy cyfrowym. Definiowanie sytuacji na podstawie tego, że jest to urządzenie analogowe, jest zbyt ogólnym terminem. Na przykład, wysokomocny wzmacniacz audio jest również analogowy.

To samo dotyczy projektów sygnałów mieszanych i tego, czy mogą być one klasyfikowane jako dobre „cele” dla ścieżek strażniczych. Implementacja produktu sygnału mieszanej zaczyna się od sygnału analogowego, który w pewnym momencie jest przekształcany na cyfrowy. Jest to realizowane przez konwertery A na D i to jest zwykła definicja produktu sygnału mieszanej. W dzisiejszych implementacjach produktów, wszystkie radia są cyfrowe wewnątrz, nawet części RF. Cyfrowy obwód RF nie jest już tworzony z sieci L (indukcyjnych) i C (pojemnościowych). Na przykład, w telefonie komórkowym, nie znajdziemy już żadnych L i C. Anteny wchodzą bezpośrednio do układu scalonego, który natychmiast przekształca ten sygnał z analogowego na cyfrowy, nawet na bardzo wysokich częstotliwościach RF. Należy również zauważyć, że w różnych źródłach informacji dotyczących stosowania ścieżek strażniczych, które są obecnie w obiegu, zauważalne są zarówno bliskie, jak i dalekie przesłuchy. W świecie cyfrowym, przesłuch, który jest przedmiotem zainteresowania, to przesłuch wsteczny. Jest to przedstawione na Rysunku 1.

Rysunek 1. Przesłuch wsteczny i przesłuch do przodu w zależności od długości

Co to jest Ścieżka Strażnicza?

Cała idea stosowania ścieżek ochronnych polega na tym, że gdy umieścisz ścieżkę ochronną między dwoma liniami transmisyjnymi, blokujesz pole EM między nimi i tłumisz niechciane sprzężenie między nimi. W rzeczywistości, wstawienie ścieżki ochronnej między dwie linie transmisyjne zwiększa odstęp między nimi, i to właśnie zwiększenie odstępu redukuje sprzężenie, a nie sama ścieżka ochronna. Gdyby przewód mógł zatrzymać pole EM, transformator nie działałby. Oczekuje się, że gdy energia przemieszcza się obok tego przewodu, część z niej jest po drodze zbierana. Na tym polegamy, tworząc transformator. Przewód nie zatrzymuje pola magnetycznego.

Ślad jest rozłożoną siecią LC, która będzie rezonować na pewnej częstotliwości. Jeśli geometria tego układu jest odpowiednia, może on rezonować na częstotliwości zainteresowania w projekcie, tworząc filtr pasmowoprzepustowy, który zwiększa, a nie zmniejsza przeplot. Rysunek 2 przedstawia taki projekt. Jest to projekt płyty głównej nieudanego superkomputera, który został zbudowany pod koniec lat 80. Inżynierowie pracujący nad projektem obawiali się, że impedancja linii transmisyjnych płyty głównej przeciąży sterowniki. Aby temu zapobiec, impedancja płyty głównej została ustalona na 70 omów. Projektanci płyty głównej wstawili ślady strażnicze, aby kontrolować niechciany przeplot. Długość śladów strażniczych była taka, że rezonowały one na częstotliwości zegara komputera. Skutkiem tego była niechciana sprzężenie między sygnałami propagującymi się bocznie przez płytę główną, co powodowało niestabilność komputera. Rozwiązaniem było porzucenie projektu i rozpoczęcie od nowa. Nigdy nie jest to dobry pomysł, gdy próbuje się trafić w kluczowe okna rynkowe i kontrolować ogólne koszty rozwoju produktu.

Należy również zauważyć, że w dzisiejszych produktach internetowych, PCB są tak zatłoczone obwodami i ścieżkami sygnałowymi, że nie ma miejsca na ślady strażnicze. Są one fizyczną niemożliwością.

Rysunek 2. Magistrala płyty głównej z „śladami strażniczymi”

W jakim celu ścieżka ochronna kontroluje przeplot?

Istnieje znaczna ilość informacji na temat sposobu, w jaki zakończenie ścieżek ochronnych zwiększa ich skuteczność w kontroli przeplotu. Opcje to: ścieżki ochronne niepodłączone; ścieżki ochronne zakończone z jednej strony oraz ścieżki ochronne zakończone z obu stron. W rzeczywistości, niezależnie od sposobu zakończenia ścieżek ochronnych, wszystkie one są rezonansowymi sieciami LC i mogą tworzyć filtr pasmowoprzepustowy, a żadna z nich nie wykonuje tego, co jest im przypisywane.

Ponadto, połączenie obu końców ścieżki z płaszczyzną masy nie oznacza, że ścieżka została dodana do „masy” ani nie jest w stanie blokować pola EM. Przewody wszelkiego rodzaju, niezależnie od tego, jak są podłączone ich końce, nie blokują pól EM. To odległość między ścieżkami decyduje o tym, jak kontrolowany jest przeplot. Rysunek 3 pokazuje, jak zwiększenie odstępu między dwoma liniami jest sposobem na kontrolę przeplotu między tymi liniami.

Rysunek 3. Przeplot wsteczny vs odległość krawędź do krawędzi i wysokość nad najbliższą płaszczyzną

Ponadto twierdzi się, że aby ścieżka ochronna była skuteczna w konfiguracji stripline, musi mieć dokładnie taką samą długość jak długość sprzężenia. Ponownie, cechy geometryczne ścieżki ochronnej nie mają wpływu na jej zdolność do kontrolowania przeplotu, ponieważ to przestrzeń między ścieżkami decyduje o tym, jak dobrze jest ograniczane sprzężenie.

Ścieżki ochronne PCB: Mikropaski vs. Stripline

Wiele źródeł wskazuje, że skuteczność ścieżek ochronnych różni się w zależności od topologii mikropaskowej i stripline, przy czym wynika, że ścieżki ochronne nie są skuteczne dla topologii mikropaskowych, ale są skuteczne dla stripline, pod warunkiem że oba końce ścieżki ochronnej są połączone z masą. Ponieważ zakończenie lub jego brak ścieżki ochronnej jest nieistotne, tak samo jest z jej skutecznością w obu konfiguracjach.

Czy ścieżki ochronne działają?

Zrozumienie, co działa w kontroli przeplotu, sprowadza się do zrozumienia podstawowych zasad fizyki i działania pól EM.

Klasyczne trasowanie zawsze opierało się na liniach 5 mil i odstępach 5 mil. Można mieć takie odstępy wraz z wysokością 5 mil nad płaszczyzną. To jest konfiguracja, którą miałbyś na czterowarstwowej płytce PCB, takiej jak płyta główna komputera. To dałoby ci 8% przeplotu. Jeśli tego nie chciałeś i wstawiłeś ścieżkę ochronną, musiałbyś oddzielić linie transmisyjne krawędź do krawędzi o 15 mil. To redukuje przeplot do 0,8%. To redukcja przeplotu 10 do 1 i zakłada się, że jest to spowodowane ścieżką ochronną. W rzeczywistości to przestrzeń między ścieżkami zmniejszyła sprzężenie, a nie ścieżka ochronna. Gdy fizyka separacji jest zrozumiała, łatwo jest projektować PCB w taki sposób, aby przeplot był wrodzenie kontrolowany jako część tego procesu projektowego.

Projektując PCB w celu kontroli przeplotu, należy upewnić się, że linia transmisyjna przebiega nad jednolitą płaszczyzną i nie musi mieć oznaczenia DC jako masa. Może to być płaszczyzna Vdd. W ten sposób energia znajduje się między ścieżką a płaszczyzną. Im bliżej płaszczyzny znajduje się linia transmisyjna, tym lepiej zapewniamy, że energia przepływa między ścieżką a płaszczyzną, a nie do sąsiednich ścieżek. Idealnie, rozpoczynasz proces układania warstw PCB, umieszczając ścieżkę jak najbliżej płaszczyzny. Następnie wybierasz wartość, która jest możliwa do wyprodukowania. W większości przypadków nie jest możliwe zbliżenie się bliżej niż 4 mils. Dlatego zaczynasz od 4 mils, a następnie ustawiasz separację dla celu przeplotu i szerokość ścieżki dla celu impedancji.

Jak Oceniać Wszystkie Dane o Ścieżkach Ochronnych, Które Są Dostępne?

Istnieje wiele danych w branży, które rzekomo popierają wszystkie wnioski dotyczące skuteczności ścieżek ochronnych. Ale ważne jest, aby pamiętać, że symulacje i równania, które są oferowane, opierają się na teorii, a nie rzeczywistych wynikach w sprzęcie. Symulacje mają swoją wartość, ale tylko wtedy, gdy są poparte rzeczywistymi dowodami z fizycznych płytek drukowanych, mogą być uznane za poprawne.

Czy ścieżki strażnicze w ogóle kontrolują przebicie sygnału?

Ścieżki strażnicze na PCB, niezależnie od ich implementacji i zakończeń, nie kontrolują przebicia sygnału. W rzeczywistości, ponieważ ścieżki strażnicze mogą tworzyć filtry pasmowe, mogą faktycznie zwiększać przebicie sygnału, a nie je redukować. Dobre zrozumienie podstaw fizyki i działania pól EM jest najlepszym arsenałem w redukcji przebicia sygnału.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium lub przeczytaj, jak unikać przebicia sygnału z Altium Designer^®.

Referencje:

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