O Que São Trilhas de Guarda no Design de PCB e Elas Funcionam?

As trilhas de proteção em um layout de PCB são outro tópico no qual continua havendo muitas informações conflitantes. Você pode encontrar diversas referências ao uso delas. Existe confusão sobre quais tipos de design—circuito analógico, sinal misto ou digital—supostamente se beneficiam mais do uso de trilhas de proteção; como as trilhas de proteção bloqueiam campos EM; a importância de ter as extremidades das trilhas flutuando, aterradas em uma extremidade ou aterradas em ambas as extremidades e quais tipos de trilhas se beneficiam mais do uso de trilhas de proteção—microstrip ou stripline. Este artigo abordará todos esses tópicos e apresentará dados de hardware real que documentam por que as trilhas de proteção, independentemente de sua implementação, não oferecem valor real e por que a altura da trilha acima do plano e a separação das trilhas é o melhor método para controlar o crosstalk.

A Origem das Trilhas de Proteção

As trilhas de guarda realmente têm algum valor em implementações de produtos específicos, especialmente aqueles que possuem impedância extremamente alta, design de PCB analógico de baixo ruído e uma fonte de alimentação muito baixa. Por exemplo, em uma máquina de EKG, que possui alta impedância e baixa frequência, existe o risco de acoplamento capacitivo do exterior para a trilha. O sinal é tão baixo que não é necessário muito do exterior para perturbá-lo. Neste caso, uma trilha de guarda ao redor da trilha de sinal pode suprimir o acoplamento capacitivo. Então, e quanto aos designs analógicos vs. digitais? É difícil desmembrar o valor da trilha de guarda vs. sem trilha de guarda baseando-se em se um produto é um dispositivo analógico ou digital. Definir a situação baseada em analógico é um termo geral demais. Por exemplo, um amplificador de áudio de alta potência também é Analógico.

O mesmo se aplica a designs de sinal misto e se eles podem ser classificados como bons "alvos" para trilhas de guarda. A implementação de um produto de sinal misto começa com um sinal analógico que, em algum momento, é convertido em digital. Isso é realizado por conversores de A para D e essa é a definição usual de um produto de sinal misto. Nas implementações de produtos atuais, todos os rádios são digitais internamente, mesmo as partes de RF. O circuito digital de RF não é mais feito de redes L (indutivas) e C (capacitivas). Por exemplo, em um telefone celular, não se encontram Ls e Cs em lugar algum. As antenas vão direto para um chip que imediatamente converte esse sinal de analógico para digital, mesmo em frequências de RF muito altas. Também deve ser notado que, nas várias fontes de informação sobre o uso de trilhas de guarda atualmente em circulação, tanto o diafonia de extremidade próxima quanto a de extremidade distante são mencionadas. No mundo digital, a diafonia que preocupa é a diafonia para trás. Isso é ilustrado na Figura 1.

Figura 1. Diafonia para Frente e para Trás vs Comprimento

O que é uma Trilha de Guarda?

A ideia por trás das trilhas de guarda é que, ao colocar uma trilha de guarda entre duas linhas de transmissão, você está bloqueando o campo EM entre as duas e suprimindo o crosstalk indesejado que ocorre entre elas. Na realidade, inserir uma trilha de guarda entre duas linhas de transmissão aumenta o espaço entre elas e é esse aumento de espaço que está reduzindo o crosstalk, não a trilha de guarda. Se um fio pudesse parar um campo EM, um transformador não funcionaria. O que se espera é que, quando a energia passa por esse fio, parte dela é captada ao longo do caminho. Dependemos disso para fazer um transformador. O fio não para o campo magnético.

O traço é uma rede LC distribuída que irá ressoar em alguma frequência. Se a geometria dele for apropriada, pode ressoar em uma frequência de interesse no projeto, criando um filtro passa-banda que aumenta a diafonia em vez de reduzi-la. A Figura 2 retrata tal design. Esta é a arte de um backplane de supercomputador que falhou, construído no final dos anos 1980. Os engenheiros do projeto estavam preocupados que a impedância das linhas de transmissão do backplane sobrecarregasse os drivers. Para evitar que isso acontecesse, a impedância do backplane foi definida em 70 ohms. Os projetistas do backplane inseriram traços de guarda para controlar a diafonia indesejada. O comprimento dos traços de guarda aconteceu de ser tal que eles ressoavam na frequência de relógio do computador. O resultado foi um acoplamento indesejado entre os sinais que se propagavam lateralmente pelo backplane, o que causou a instabilidade do computador. A solução foi descartar o design e começar de novo. Nunca uma boa ideia quando você está tentando atingir janelas de mercado críticas e controlar os custos gerais de desenvolvimento do produto.

Deve-se também notar que, nos produtos da Internet de hoje, os PCBs estão tão lotados de circuitos e traços de sinal que não há espaço para traços de guarda. Eles são uma impossibilidade física.

Figura 2. Backplane Bus com Traços de “Guarda”

Para Que Serve o Controle de Diafonia por uma Trilha de Guarda?

Existe uma quantidade significativa de informações sobre a maneira como as trilhas de guarda são terminadas que aumenta a eficácia delas no controle da diafonia. As opções são: trilhas de guarda flutuantes; trilhas de guarda terminadas em uma extremidade e trilhas de guarda que são terminadas em ambas as extremidades. Na realidade, independentemente de como as trilhas de guarda são terminadas, todas elas são redes LC ressonantes e podem criar um filtro passa-banda e nenhuma delas está fazendo o que se alega que fazem.

Além disso, conectar ambas as extremidades de uma trilha a um plano de terra não significa que a trilha foi adicionada ao “terra” nem é capaz de bloquear o campo EM. Fios de qualquer tipo, não importa como suas extremidades estejam conectadas, não bloqueiam campos EM. É a separação entre trilhas que determina como a diafonia é controlada. A Figura 3 mostra como aumentar o espaçamento entre duas linhas é a maneira de controlar a diafonia entre essas linhas.

Figura 3. Diafonia Reversa vs Separação de Borda a Borda e Altura Acima do Plano Mais Próximo

Também é alegado que, para que uma trilha de guarda seja eficaz em uma configuração de stripline, a trilha de guarda precisa ter exatamente o comprimento da extensão acoplada. Novamente, as características geométricas da trilha de guarda não têm impacto na sua capacidade de controlar o crosstalk, pois é o espaço entre as trilhas que determina quão bem o acoplamento é mitigado.

Trilhas de Guarda em PCB: Microstrip vs. Stripline

Algumas fontes indicam que a eficácia das trilhas de guarda é diferente para topologias microstrip vs. stripline, com o resultado sendo que trilhas de guarda não são eficazes para topologias microstrip, mas são eficazes para as de stripline, desde que ambas as extremidades da trilha de guarda sejam conectadas à terra. Uma vez que a terminação, ou a falta dela, de uma trilha de guarda é irrelevante, também o é a sua eficácia em qualquer configuração.

As Trilhas de Guarda Funcionam?

Entender o que funciona no controle de crosstalk volta a entender as regras fundamentais da física e como os campos EM funcionam.

A roteamento clássico sempre foi de linhas de 5 mil e espaços de 5 mil. Você pode ter esse espaçamento junto com uma altura de 5 mil acima do plano. Esta é a configuração que você teria em uma PCB de quatro camadas, como uma placa-mãe de PC. Isso daria a você 8% de diafonia. Se você não quisesse isso e inserisse uma trilha de guarda, teria que separar as linhas de transmissão de borda a borda por 15 mils. Isso reduz a diafonia para 0,8%. Esta é uma redução de 10 para 1 na diafonia e presume-se que seja devido à trilha de guarda. Na realidade, é o espaço entre as trilhas que reduziu o acoplamento, não a trilha de guarda. Uma vez que a física da separação é compreendida, é fácil projetar PCBs de tal maneira que a diafonia seja intrinsecamente controlada como parte desse processo de design.

Ao projetar uma PCB para controlar o crosstalk, você quer garantir que a linha de transmissão passe sobre um plano sólido e não precise ter o terra DC nomeado. Pode ser um plano Vdd. Dessa forma, a energia fica entre o traço e o plano. Quanto mais próximo o plano estiver da linha de transmissão, melhor você garante que a energia passe entre o traço e o plano e não para os traços vizinhos. Idealmente, você começa o processo de empilhamento da PCB colocando o traço o mais próximo possível do plano. Então, você escolhe um número que seja fabricável. Na maioria dos casos, não é possível chegar mais perto do que 4 mils. Assim, você começa em 4 mils e depois define a separação para o alvo de crosstalk e a largura do traço para o alvo de impedância.

Como Você Avalia Todos Os Dados De Guard Trace Que Estão Disponíveis?

Existe uma grande quantidade de dados na indústria que supostamente suportam todas as conclusões que foram feitas em relação à eficácia dos guard traces. Mas, é importante lembrar que as simulações e equações oferecidas são baseadas em teoria e não em resultados reais em hardware. As simulações têm seu valor, mas é somente quando são respaldadas com provas físicas reais de placas de circuito que podem ser consideradas corretas.

No final das contas, as Trilhas de Guarda Controlam o Crosstalk de Alguma Forma?

Trilhas de guarda em PCBs, independentemente de suas implementações e terminações, não controlam o crosstalk. Na verdade, porque as trilhas de guarda podem criar filtros passa-banda, elas na realidade podem aumentar o crosstalk, não reduzi-lo. Um bom entendimento dos fundamentos da física e de como os campos EM funcionam é seu melhor arsenal na redução do crosstalk.

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Referências:

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