Simulação de Impedância de Plano de Terra Hachurado em PCBs Flexíveis

PCBs flexíveis e PCBs rígido-flexíveis podem ambos transportar sinais de alta velocidade, alguns dos quais exigem impedância controlada. Implementar impedância controlada em um PCB flexível não é uma tarefa muito fácil por várias razões. Se você escolher o caminho da impedância controlada, onde o fabricante testa a impedância e faz ajustes na pilha, raramente você tem a liberdade de fazer isso, pois pode forçar a espessura da camada flexível a ser muito grossa ou muito fina. Se você optar pela rota do dielétrico controlado, a estrutura do plano de terra invalida os modelos típicos para impedância, tornando muito difícil determinar a impedância apropriada.

Infelizmente, isso significa que você deve usar algumas simulações ou alguns dados de teste para determinar a impedância de trilhas individuais e pares diferenciais em PCBs flexíveis. Nem todos os fabricantes podem fornecer esses dados, ou, se eles têm esses dados, podem não torná-los publicamente disponíveis. Quando se trata de pares diferenciais, o espaçamento também será um fator crítico que determina a impedância ao longo do interconector.

Neste artigo, inspirado no trabalho de Lukas Henkel, apresentarei um breve conjunto de resultados de simulação e fluxo de trabalho que podem ser usados para a determinação da impedância de trilha em planos de terra recortados.

Motivação para Simulação de Impedância em Plano de Terra Recortado

Recentemente, concluímos uma entrevista de acompanhamento com Lukas Henkel, onde discutimos alguns de seus progressos no Projeto de Laptop de Código Aberto. Esse projeto envolveu a criação da placa-mãe, bem como de periféricos para um laptop de código aberto, e um dos periféricos é uma webcam, que fica na parte superior da tela. Dê uma olhada no nosso clipe de entrevista para saber mais, ou assista ao episódio completo no YouTube.

Ao referenciar a parte da webcam do design neste clipe, a webcam se conecta à placa-mãe usando um PCB flexível. Para transmitir dados da câmera para a CPU, é necessário um link serial de alta velocidade. Isso requer o uso de MIPI CSI-2, uma interface diferencial de alta velocidade que envia dados seriais por quatro vias paralelas com um relógio diferencial síncrono de origem. No total, isso resulta em até cinco pares diferenciais correndo entre a câmera e a placa-mãe.

O roteamento CSI-2 por 4 vias de dados e uma via de relógio síncrono de origem. Ambos os traços em cada par diferencial requerem ajuste de comprimento, e os pares diferenciais devem ser compatibilizados dentro deste grupo.

Sendo uma interface diferencial, por favor, use pares diferenciais que requerem controle de impedância para 100 ohms. Em uma PCB rígida, isso seria bastante fácil. Use o gerenciador de empilhamento de camadas e o Altium Designer ou outro simulador para obter rapidamente a impedância sem perdas com base na seção transversal do empilhamento. Em uma PCB flexível, isso não é tão fácil porque as PCBs flexíveis usam um plano de terra hachurado. Agora, vamos dar uma breve olhada na teoria que mostra por que isso acontece. Então, podemos mostrar alguns resultados de simulação para a fita flexível de Lukas, que detalhará a impedância diferencial e os parâmetros S diferenciais.

O Fator de Preenchimento É um Parâmetro Crítico para Determinar a Impedância

Ao avaliar a impedância de um interconexão de cobre em uma PCB flexível com um plano de terra hachurado, uma das ferramentas que podemos usar para entender o que está acontecendo na interconexão é a impedância de entrada. Se você observar a estrutura do plano de terra hachurado, o hachurado tem algumas áreas onde o cobre é removido, tipicamente em forma quadrada ou de diamante, e essa área pode ser definida como uma fração dos elementos de área repetidos que compõem o plano de terra hachurado. Eu chamei essa fração de "fator de preenchimento", que pode ser definido como mostrado na imagem abaixo.

Agora, vamos rotear um traço sobre diferentes regiões da estrutura acima; algumas partes do traço estarão sobre cobre sólido, enquanto outras partes do traço estarão sendo roteadas sobre uma região com cobre removido. A presença variável de terra próximo ao traço impactará a impedância e, assim, a integridade do sinal nessas rotas. Ao longo do comprimento do traço, esperaríamos variações de alta e baixa impedância, que serão uma função da distância traço-cobre.

Como temos uma variação na impedância ao longo do comprimento da rota, a estrutura é uma linha de transmissão periodicamente cascata. Eu não vi um bom recurso na literatura de pesquisa descrevendo especificamente este tipo de estrutura, embora eu faça referência a ela neste artigo. De qualquer forma, existe uma impedância de entrada em cada seção que pode ser escrita em termos da próxima seção da linha de transmissão:

Em termos mais simples, se você conhece a impedância característica de cada uma das seções da linha de transmissão, você poderia obter uma estimativa razoável dos parâmetros S por meio de um cálculo indutivo, e seria simples o suficiente para fazer em um script Python ou no Excel. Por exemplo, se você conhecesse a impedância acima do cobre e na região de hachura, é concebível que você poderia usar a equação acima iterativamente para estimar a perda de retorno (S11) no porto de entrada.

Eu diria que este método é mais preciso do que tentar assumir um plano sólido e depois aplicar algum fator de correção, mas acho que este é um assunto para estudos futuros. De qualquer forma, uma vez que você tenha uma estimativa da impedância simples ou diferencial sobre um plano de terra hachurado, eventualmente você precisará qualificar isso, e isso requer uma simulação 3D.

Simulações 3D de Planos de Terra Hachurados

Para qualificar mais completamente o desempenho de interconexões em um plano de terra hachurado, usaremos a fita flexível mostrada abaixo, fornecida por Lukas Henkel para o laptop de código aberto. A imagem abaixo mostra uma visão 3D da fita flexível e do roteamento de trilhas em duas regiões, bem como os grupos de trilhas em cada região.

Camada 1:

Camada 2:

Primeiramente, para obter alguns valores da impedância característica em cada seção, o analisador de conformidade no Simbeor é utilizado para obter impedâncias com base nas seções transversais dos traços. Duas regiões foram examinadas e comparadas. Na região reta vindo diretamente do conector da câmera, a impedância das linhas de terminação única parece apresentar uma variação muito menor; a impedância varia de 30-40 Ohms ao longo dos trechos retos. Na região curva do cabo flexível, a variação da impedância é muito maior, com a impedância característica variando de 30-60 Ohms.

A largura da linha (W/H = 4) cria regiões de impedância ímpar muito baixa sobre o cobre, enquanto as regiões entre o cobre são muito mais próximas de um alvo de 50 Ohms. A variação exata parece ser aproximadamente de 28-62 Ohms, ou uma média de 45 Ohms de impedância ímpar. A impedância diferencial chega a aproximadamente 78 Ohms com alguma variação.

Região reta:

Região curva:

Com base no que já vemos, há algumas grandes desvios de impedância ao longo do link, embora sejam pequenos em seu comprimento, então esperaríamos alguma conversão de modo ao longo deste link. A matriz completa de parâmetros S para este link nos dirá as perdas e a conversão de modo, e os resultados são mostrados na próxima seção.

Resultados dos Parâmetros S CSI-2

Agora, vamos olhar para os parâmetros S para o link CSI-2, já que é controlado por impedância. Baseando-se apenas nos valores de impedância de seção transversal mostrados acima, torna-se bastante incerto qual será a perda de retorno ao longo do interconector. Portanto, executamos uma simulação de parâmetros S a partir desta geometria para determinar a perda de retorno até frequências muito altas. A imagem abaixo mostra os resultados para a via CSI-2 destacada acima.

A perda de retorno é aceitável dentro dos limites exigidos para um link CSI-2; a perda de inserção é bastante baixa dentro da largura de banda do canal graças à largura das trilhas, mas diminui acentuadamente além do limite da banda. Um problema aqui é conversão de modo, especificamente SCD21 (gráfico inferior direito), o que esperaríamos dada a natureza descontínua do plano de terra hachurado. Este link possui muita conversão de modo que precisaria ser verificada contra os limites do MIPI C-PHY.

Se você quisesse melhorar os resultados de perda de retorno e perda de inserção, precisaria ajustar o fator de preenchimento e o espaçamento para o link diferencial. Então, seria necessário simular novamente e verificar se os parâmetros S melhoraram. Veja a seção de fluxo de trabalho abaixo para mais detalhes.

Resumo dos Resultados e Fluxo de Trabalho

Para nossos propósitos, onde estamos apenas olhando para o roteamento de trilhas na PCB, este resultado é aceitável. Na realidade, os parâmetros S para o interconector completo dependerão do desajuste de impedância nas interfaces de cabo chegando aos conectores. Para expandir a simulação além do que é mostrado acima, precisaríamos fazer o seguinte:

1. Exportar um arquivo Touchstone dos parâmetros S para este link.
2. Pegar arquivos Touchstone para os conectores em cada extremidade.
3. Pegar um arquivo Touchstone para o link que leva ao CPU e chip da câmera.
4. Adicionar todos esses em um modelo de rede linear.
5. Determinar os parâmetros S para toda a rede em cascata.
6. Dependendo desses resultados, pode ser necessário ajustar o fator de preenchimento para o plano de terra hachurado abaixo do par diferencial CSI-2.
7. Iterar e repetir.

O processo acima ilustra um fluxo de trabalho a ser implementado para determinar a impedância de traço para uma via CSI-2. Devido à falta de resultados analíticos precisos que poderiam ser usados para a previsão da impedância de traço sobre um plano de terra hachurado, é necessário começar com uma estimativa baseada no fator de preenchimento e, em seguida, iterar através de algumas variações para obter uma impedância de traço apropriada. Eu proponho o seguinte fluxo de trabalho:

1. Começar com um design de hachura proposto e calcular o fator de preenchimento.
2. Calcular dois fatores de preenchimento adicionais para serem usados como variações.
3. Desenhar uma pequena placa de teste com essas variações e simular os parâmetros S em cada uma.
4. Examinar os resultados dos parâmetros S e escolher o melhor fator de preenchimento.
5. Para pares diferenciais, examinar o resultado e determinar se o espaçamento deve ser ajustado para aumentar ou diminuir a impedância diferencial.
6. Simular o link diferencial modificado e verificar os parâmetros S.
7. Iterar e repetir.

Com essas três simulações, e possivelmente uma quarta, ajustando o espaçamento do par diferencial, você poderia chegar a um projeto de interconexão utilizável em apenas quatro simulações com aproximadamente 8 horas de tempo de simulação. Isso é rápido o suficiente para ser completado em um único dia.

Para fornecer mais insights sobre o desempenho de links de terminação única e diferencial sobre planos de terra hachurados em PCBs flexíveis, planejo fazer um estudo de geometria mais amplo. Isso envolverá variar muitos dos parâmetros do fator de preenchimento e determinar qual parâmetro geométrico é o estimador mais eficaz para impedância de terminação única e diferencial. Certifique-se de seguir esta série de blog para mais atualizações.

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