Prós e Contras do Roteamento de Trilhas Ortogonais em PCBs Multicamadas

Eu ocasionalmente vejo perguntas em fóruns, alguns posts em blogs e até notas de aplicação que continuam a recomendar o uso de roteamento ortogonal, geralmente em placas de 2 a 6 camadas. Ao olhar para notas de aplicação, eu tendo a seguir o conselho de Rick Hartley e tento pensar sobre esse conselho em contexto. Infelizmente, recomendações em notas de aplicação nem sempre são levadas com um grão de sal, e muitas vezes são aplicadas em situações onde não são aplicáveis.

Este artigo é mais sobre quando não usar o roteamento de trilhas ortogonais, em vez de como ele pode ser configurado em um autorroteador ou um tópico semelhante. Se você trabalhou no mundo de alta velocidade/frequência ultra-alta por um longo período de tempo, então isso provavelmente não é novidade para você. Para o resto de nós, há uma tentação de recorrer a informações antigas que muitas vezes são fornecidas sem contexto. Isso é especialmente verdadeiro para o roteamento de trilhas ortogonais.

Empilhamentos Ruins Levam a Crosstalk no Roteamento

Acho que a primeira vez que vi uma recomendação para que os designers usassem roteamento ortogonal foi no StackExchange. Este site é um excelente recurso sobre muitos tópicos, e é definitivamente o recurso que eu mais consulto para tudo relacionado a software e codificação. Com o design de eletrônicos e PCBs se tornando cada vez mais complexo, é fácil aplicar recomendações deste site e de outros sem considerar o contexto, levando a casos em que essas escolhas de design causam a falha de uma placa.

Recentemente, tive um cliente procurando ajuda para depurar uma atualização de um design mais antigo. O cliente decidiu usar a clássica recomendação de roteamento de trilhas ortogonais com o empilhamento de 6 camadas mostrado abaixo. Neste empilhamento, as duas camadas superiores e as duas camadas inferiores são camadas de sinal. As trilhas nessas camadas foram roteadas ortogonalmente entre os ICs, e vias through-hole padrão foram usadas para transições de camada.

Não use este simples empilhamento de 6 camadas com sinais de alta velocidade...

O designer experiente já deve ter uma ideia do que está errado nesta imagem. O problema era que o engenheiro estava tentando atualizar o design para usar um novo MCU que opera a 400 MHz com interfaces de alta velocidade, mas sem alterar o empilhamento; o design tinha crosstalk excessivo e não passou nos testes de EMC.

Neste ponto, a solução deveria ser óbvia; projetar o empilhamento corretamente e você não terá que depender puramente de roteamento ortogonal para garantir a integridade do sinal ao trabalhar com taxas de borda altas. Como se verificou, isso acabou sendo um problema de integridade de energia, que tem menos a ver com roteamento ortogonal e mais com o arranjo das camadas. No entanto, isso levanta a questão: quando você deve usar o roteamento ortogonal?

Quando é Aplicável o Roteamento de Traços Ortogonais?

O roteamento ortogonal é usado em duas situações possíveis:

• Para criar canais de roteamento verticais e horizontais em diferentes camadas
• Para prevenir a diafonia capacitiva entre traços em camadas adjacentes, minimizando a área de acoplamento entre eles

O primeiro uso é totalmente apropriado e pode facilitar muito o roteamento, desde que o empilhamento seja projetado corretamente (veja abaixo).

Em relação à integridade do sinal, você tem os seguintes problemas de diafonia progressivamente difíceis quando usa roteamento ortogonal entre duas camadas de sinal adjacentes:

• Em taxas de borda baixas, haverá menos diafonia de qualquer forma, mesmo em camadas de sinal adjacentes (aplicável a UART, I2C, etc.)
• Em taxas de borda mais rápidas (como SPI), você pode notar diafonia em chips mais avançados
• Em pares diferenciais, a diafonia será diferencial, o que não pode ser cancelado em um receptor
• Em taxas de borda muito rápidas (sub-ns), você notará mais diafonia e emissões irradiadas

Como isso deve funcionar para a integridade do sinal? À medida que um sinal digital agressor se propaga, ele gera um campo magnético, e as bordas de comutação do sinal gerarão um fluxo magnético variável na região ao redor do traço; isso é diafonia indutiva. Há também um campo elétrico entre as duas linhas; quando o sinal agressor comuta, ele induz uma corrente de deslocamento na linha vítima; isso é diafonia capacitiva.

Quando interconexões em camadas adjacentes são roteadas ortogonalmente (em direções perpendiculares), o campo magnético de um traço estará sempre orientado paralelamente ao laço condutor formado por um traço vítima na próxima camada, eliminando efetivamente o acoplamento indutivo direto. Embora esta descrição seja tecnicamente correta, ela é excessivamente simplista e não leva em conta outros aspectos importantes de uma pilha de PCB real e layout. Os principais problemas envolvidos no uso de roteamento ortogonal relacionam-se à velocidade de comutação, desacoplamento e definição de um caminho de retorno confiável. Rick Hartley discute alguns desses aspectos importantes de roteamento e empilhamento em uma entrevista recente.

Apesar da falta de acoplamento indutivo, ainda há acoplamento capacitivo, mesmo com a pequena área de interseção entre os traços. Se você não projetou corretamente seu caminho de retorno, o campo elétrico entre a camada de sinal 1 e seu aterramento (veja a imagem acima) pode acoplar de volta aos sinais na camada 2 simplesmente devido a uma diferença de potencial através de sua capacitância mútua, produzindo acoplamento capacitivo. A impedância vista pelo sinal acoplado capacitivamente é menor quando a taxa de borda do sinal é mais rápida, produzindo um pulso de corrente mais forte no traço vítima.

Designs avançados como este não usarão roteamento de traços ortogonais.

Em taxas de borda mais baixas, provavelmente você não notará o acoplamento capacitivo, independentemente de se a roteirização ortogonal for usada. Ainda assim acontecerá, mas pode não ser suficientemente grande para ultrapassar a margem de ruído de quaisquer componentes conectados às trilhas vítimas. Em baixa velocidade, sinais acoplados indutivamente veem menor impedância, assim você iria querer roteirizar ortogonalmente em camadas de sinal adjacentes para minimizar o acoplamento indutivo. Trabalhar com taxas de borda baixas é uma instância onde a roteirização ortogonal de trilhas em camadas de sinal adjacentes é apropriada. Para o resto de nós, geralmente estamos trabalhando abaixo de um nanossegundo em termos de taxa de borda, o que requer um isolamento/cercamento cuidadoso entre as camadas de sinal, um caminho de retorno cuidadosamente projetado, e entrega de energia ultra-estável. Tudo depende de projetar a empilhagem de PCB correta.

Roteirize Ortogonalmente, Mas Use Terra

Aqui a mensagem é simples: a roteirização ortogonal não é uma cura para problemas de integridade de sinal, especificamente acoplamento com taxas de borda rápidas. No entanto, a roteirização ortogonal é muito útil simplesmente para criar canais entre grupos de componentes. Para usá-la corretamente, a empilhagem precisa ter terra separando as duas camadas de sinal.

No exemplo abaixo, estou mostrando um de nossos designs multicamadas legados com uma camada de sinal na superfície externa. L2 é terra e L3 contém o canal de roteamento ortogonal. Juntos, esse tipo de roteamento em duas direções perpendiculares cria uma superestrada para suas rotas em diferentes camadas. O roteamento é muito limpo, sendo dividido em dois canais diferentes que podem ser acessados facilmente com vias passantes vindas de componentes em ambos os lados da placa. Isso facilita o roteamento entre o MCU central e o chip de RAM no topo da placa.

A pilha é mostrada abaixo. Esta pilha usa duas camadas de sinal internas, mas L4 foi alocada para pinos de controle e trilhas de alimentação. Note que você poderia implementar o mesmo estilo de roteamento em uma placa de 4 camadas com dois planos de terra internos. A principal diretriz aqui é que o roteamento ortogonal é aceitável, desde que o terra separe as duas camadas de sinal.

Isso coloca ênfase na colocação inteligente de componentes no layout da PCB, especialmente dos conectores. No entanto, nem sempre se tem a liberdade de colocar os conectores onde se quer. Em um produto real, você pode estar limitado por cabos que entram na caixa, outras placas dentro da caixa, pinagens estranhas em componentes e pinagens estranhas em conectores. O problema dos conectores é provavelmente o maior desafio, pois pode limitar seriamente o roteamento, especialmente quando a pinagem é padronizada ou quando a pinagem é limitada por algum outro produto. Neste caso, com conectores, se você conseguir controlar a pinagem por meio de design personalizado de cabos/conjuntos, você pode implementar mais facilmente uma estratégia de roteamento ortogonal.

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