É Possível Roteamento de Sinais Digitais em um Design de PCB de 2 Camadas?

PCBs de 2 camadas são os melhores amigos dos hobbistas. Eles são fáceis de definir no seu software de design e o roteamento é simples se a contagem de redes for baixa o suficiente. Embora eu normalmente não trabalhe em projetos que possam ser feitos em apenas 2 camadas, ainda é importante saber como usar essas placas corretamente. Se você for inteligente, pode até usar essas placas para rotear algumas interfaces de alta velocidade.

Neste artigo, quero olhar para algumas das regras importantes para projetar uma PCB de 2 camadas que utilizará uma interface serial de alta velocidade. Algo como USB ou SPI pode ser facilmente feito em uma placa de circuito de 2 camadas, desde que algumas regras básicas de roteamento sejam seguidas. O que apresentarei abaixo deve ser um ponto de partida para o roteamento de sinais digitais em um layout de PCB de 2 camadas.

Um ponto a ser observado: você não deve iniciar um projeto de 2 camadas com a expectativa de que esta placa passará nos testes de EMC. Garantir a EMC dependerá de muitos fatores relacionados à alimentação, aterramento, sua caixa, quais componentes e circuitos estão na placa, e muitos outros fatores. Esperamos que isso lhe dê uma boa introdução sobre como você pode realizar a parte de roteamento do layout de uma PCB de 2 camadas sem criar problemas de integridade de sinal.

Introdução às Placas Digitais de 2 Camadas

Os layouts de PCB de 2 camadas são interessantes, pois geralmente são o nível de entrada para a maioria dos projetistas. A maioria dos designs que envolvem um MCU de velocidade moderada (talvez com tempo de subida de 5-10 ns), um barramento serial comum como SPI, e interfaces digitais de alta velocidade mais simples podem funcionar bem em uma placa de 2 camadas, desde que não sejam muito densas e você não viole algumas regras básicas de roteamento. No entanto, esses designs frequentemente violam muitas regras de integridade de sinal e criam/recebem EMI excessiva. Como resultado, a placa pode tecnicamente funcionar como você pretendia, mas pode nunca passar nos testes de EMC, então você não poderia vendê-la.

Primeiro, há alguns pontos para pensar em um design de placa de 2 camadas que utiliza sinais digitais:

• Controle de impedância: Alguma de suas interfaces requer controle de impedância? Se sim, apenas lembre-se de que pode ser difícil atingir os requisitos de impedância em uma espessura padrão de PCB para sinais de extremidade única.
• Comprimento do traço: Como não podemos atender aos requisitos de controle de impedância em uma placa de 2 camadas, teremos que manter os comprimentos dos traços abaixo de algum comprimento crítico. Algumas interfaces são muito tolerantes com a impedância e têm comprimentos críticos longos, mas você precisará calcular um limite de comprimento.
• Acesso à terra: Para garantir baixa diafonia e baixa EMI na sua roteirização digital, você precisará fornecer acesso à terra com um caminho de retorno claro.
• Contagem de partes/conexões: Em uma placa de 2 camadas, você tem espaço limitado para roteamento, então não pode ter muitas partes. Assim que tentar incluir muitas partes e houver muita sobreposição no seu roteamento, você terá que passar para uma placa de 4 camadas, ou terá que fazer sua placa de 2 camadas muito grande.

Sinais Digitais e Impedância

Ao trabalhar com lógica digital, especialmente em uma placa de 2 camadas, é importante notar que nem todos os sinais digitais têm um requisito de impedância. Às vezes, se eles têm, você pode violá-lo e a interface funcionará bem. Isso é importante em uma placa de 2 camadas porque, se você apenas quer rotear microstrips, a largura dos seus traços precisa ter um valor específico para atingir um alvo de impedância.

Tipicamente, o alvo de impedância que você verá para sinais digitais será o seguinte:

• Algum requisito de impedância de extremidade única, onde o sinal é tomado isoladamente
• Algum requisito de impedância diferencial para pares diferenciais, onde os sinais devem ser roteados juntos

Apenas como exemplo, considere uma placa de 2 camadas com espessura padrão de 62 mils no núcleo (Dk = 4.8). Se quisermos atingir o alvo padrão de impedância de 50 Ohms, então precisaremos ter uma largura de trilha de quase 110 mils! Esta é uma largura de trilha enorme e é muito maior do que o tamanho do pad de qualquer componente digital que você colocará em uma placa real. Para determinar isso, usei um calculador de impedância de microstrip online baseado nas fórmulas do IPC 2141.

Os calculadores online não fornecem os resultados mais precisos, mas o resultado acima ilustra um ponto importante: você simplesmente não pode fazer controle de impedância para trilhas isoladas de terminação única em uma PCB de 2 camadas e esperar encaixar tudo no layout. Obviamente, isso eliminaria o uso de DDR para memórias, que inclui trilhas de terminação única com sinais de alta velocidade e comprimentos elétricos muito pequenos.

É aqui que precisamos definir um limite de comprimento para suas trilhas se estivermos usando uma interface de impedância controlada. Quando a distância percorrida pelo sinal durante seu tempo de subida é muito maior do que o comprimento da trilha, então a impedância da trilha não importa. Neste caso, o sinal só vê a impedância da carga durante a propagação. O limite exato de comprimento depende de múltiplos fatores, mas uma regra muito conservadora é definir um limite de comprimento de trilha de 1/10 da distância percorrida pelo sinal.

Apenas como um exemplo, vamos usar o atraso de propagação na imagem acima com um sinal de tempo de subida de 5 ns. No caso acima, a velocidade de propagação é de cerca de 6,8 polegadas/ns. Então, isso significa que, se temos um sinal de tempo de subida de 5 ns, então o sinal percorrerá 34 polegadas durante seu tempo de subida, então nosso comprimento máximo de trilha seria 1/10 disso, ou 3,4 polegadas. Podemos na verdade ser um pouco menos conservadores do que um limite de comprimento de 1/10. Se definirmos um limite de comprimento de 1/4, teríamos um comprimento máximo de trilha de 8,5 polegadas antes de precisarmos começar a nos preocupar com a impedância das trilhas.

Dependendo de quanto você pode tolerar uma violação de impedância na extremidade receptora do seu canal, você definitivamente terá alguma liberdade para implementar uma placa de 2 camadas com um protocolo digital típico, desde que os comprimentos sejam curtos.

O Que Sobre a Impedância Diferencial?

Como tenho certeza de que os leitores estarão cientes, a maioria das interfaces de alta velocidade se preocupa com a impedância diferencial, não apenas com a impedância de extremidade única. Como vimos acima, um traço de extremidade única precisaria ser inaceitavelmente grande para atingir um valor de impedância de 50 Ohms que você verá na maioria das especificações. Como podemos atingir um valor de impedância diferencial em uma placa de 2 camadas quando o requisito de largura do traço de impedância característica é tão grande?

Algumas interfaces podem realmente ser roteadas como traços de extremidade única com comprimentos correspondentes, ou como pares diferenciais firmemente acoplados! USB é um exemplo perfeito: o esquema de terminação trata cada extremidade do par individualmente como um traço de extremidade única, então ainda temos que atender à especificação de impedância de extremidade única. Como podemos possivelmente fazer isso?

Neste caso, precisamos utilizar uma calculadora para obter a impedância diferencial e usar o valor de largura e distância retornados para garantir que atingimos a especificação de impedância única. Em uma placa de 2 camadas, não podemos simplesmente pegar a largura que encontramos acima e inseri-la em uma calculadora de impedância diferencial. Se fizéssemos isso, descobriríamos que a separação de trilhas necessária seria de cerca de 10 polegadas! Obviamente, isso não é prático. Na realidade, se calculássemos a largura e o espaçamento das trilhas de que precisamos para uma impedância alvo, teríamos algo mais próximo de 10 mils de largura e 6 mils de espaçamento para um arranjo de microstrip coplanar. Isso é muito mais razoável.

O que isso significa é:

• A largura da trilha necessária em um par diferencial não precisa ser igual à largura da trilha necessária para atingir a impedância característica de uma única trilha. Em um par diferencial, a largura da trilha única define a impedância de modo ímpar, que é metade do seu alvo de impedância diferencial. O valor da impedância de modo ímpar é diferente do valor da impedância característica.

Esta é uma distinção importante. Significa que, para uma interface diferencial, você não deve apenas pegar a largura do traço para a impedância característica mostrada acima e simplesmente inseri-la no seu calculador de impedância diferencial para obter um espaçamento. Quando os traços em um par diferencial são aproximados, o acoplamento entre eles reduz a impedância do sinal de extremidade única e faz com que a largura do traço necessária seja menor, mesmo em uma PCB de 2 camadas. Discutiremos mais sobre isso em dois artigos futuros sobre este tópico, incluindo um exemplo onde olhamos para usar USB em uma placa de 2 camadas.

Algumas Diretrizes de Roteamento para Sinais Digitais em Placas de 2 Camadas

O objetivo dessas diretrizes básicas é garantir que seu design digital tenha o menor ruído possível, o que é difícil dada a estrutura de uma placa de 2 camadas.

1. Coloque um plano de terra na camada inferior e, em seguida, coloque os componentes digitais e o roteamento na camada superior. Isso não vai ajudar no controle de impedância durante o roteamento, mas você deve fazer isso de qualquer maneira para ajudar no controle de ruído e para lhe dar acesso fácil ao terra através de vias.
2. Utilize uma largura de trilha fixa para rotear energia e sinais. Trilhas de 8-10 mil são adequadas para rotear sinais digitais, e vias de 12-14 mil são adequadas para transições de sinal de volta ao plano de terra. A energia pode ser roteada com polígonos se você estiver trabalhando com alta corrente, mas na maioria dos casos você estará bem com trilhas mais largas.
3. Use capacitores de desacoplamento/bypass para garantir energia estável e baixo salto de terra. Placas de 2 camadas podem exibir salto de terra e possivelmente algum ruído nas trilhas de energia, mas capacitores de desacoplamento/bypass irão amortecer esse ruído.

Na próxima parcela da nossa série sobre placas de 2 camadas, mostrarei como implementar essas diretrizes de design para USB, que definitivamente pode ser considerado uma interface digital de alta velocidade. Se você já conhece USB, sabe que é uma interface rápida que muitas vezes necessita de roteamento controlado por impedância. No entanto, com as diretrizes mostradas acima, você pode chegar a uma placa de 2 camadas funcional que utiliza essa interface. Apenas note que você pode não ter uma placa totalmente livre de ruídos, então não espere que este layout passe automaticamente nos testes de EMC. No entanto, ela deve funcionar bem como uma placa de desenvolvimento para seu microcontrolador favorito, e você pode ter sorte se rotear seus sinais corretamente com um plano de terra consistente na camada de trás e limitar as mudanças de camada através de vias.

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