Diretrizes para Layout de PCB de Alta Velocidade: Dicas e Estratégias de Posicionamento

No setor imobiliário, a palavra de ordem é: "localização, localização, localização". Curiosamente, o mesmo pode ser dito sobre o layout de PCB de alta velocidade. Embora todos os aspectos do processo de design de PCB de alta velocidade sejam importantes, a colocação de componentes é especialmente crucial para garantir um roteamento fácil, minimizar a EMI e possivelmente eliminar a necessidade de algumas camadas extras. Métodos de colocação de localização que funcionam sem problemas em um design de PCB padrão podem não satisfazer os requisitos críticos de fluxo de sinal de um design de alta velocidade. Para que o design funcione, realmente é tudo sobre "localização, localização, localização".

Aqui estão algumas dicas e estratégias a considerar ao criar seu layout de PCB de alta velocidade. Primeiro, vamos olhar para algumas considerações básicas de colocação de componentes para designs de alta velocidade seguidas pelos benefícios de criar um plano de piso antes de colocar componentes na placa. Por último, mas certamente não menos importante, discutiremos resistores de terminação e onde eles devem ser colocados.

Colocação de Componentes no Seu Layout de PCB de Alta Velocidade

Qualquer layout de PCB é como um quebra-cabeça difícil de resolver, com muitos objetivos concorrentes. Muitas vezes, você tem algumas restrições de fator de forma e objetivos de contagem de camadas que precisa atender, e você precisa garantir que as peças sejam colocadas de tal maneira a satisfazer essas restrições e muitas mais.

As peças em um layout de PCB de alta velocidade geralmente devem ser organizadas das seguintes maneiras:

1. Agrupadas por bloco de circuito: Primeiro, agrupe componentes que realizam tarefas específicas no sistema juntos. Como exemplo, todos os componentes que desempenham um papel na regulação de energia devem ser agrupados juntos.
2. Agrupadas em torno de grandes processadores: Esses componentes tendem a ter uma alta contagem de I/O e irão interagir diretamente com seus blocos de circuito agrupados. Tente organizar os blocos de circuito de primeiro nível ao redor do seu processador central, e então tente organizar os blocos a jusante ao redor desses.
3. Agrupadas por acesso a canais de roteamento: Se você tem um conjunto de componentes que precisam acessar uma interface comum em outro componente, tente organizar esses componentes de modo que seus pinos fiquem voltados um para o outro. Isso nem sempre será possível, mas se você for bem-sucedido, não precisará rotear através de camadas internas ou em caminhos longos ao redor de outros componentes.

Na imagem abaixo, você verá um grande MCU na área mais à direita do layout, e há outros componentes agrupados ao seu redor com seus pinos voltados para o MCU. Mais à esquerda, podemos ver que há componentes secundários como conectores, LEDs e alguns passivos. Note que eles estão aproximadamente alinhados para enfrentar um lado do MCU. Isso permite algum roteamento direto do MCU para essas regiões da placa no lado esquerdo da placa.

 
Exemplo de layout de PCB de alta velocidade

Ao planejar a colocação de blocos funcionais de circuitos, tenha em mente também as necessidades de plano de alimentação e terra. Usar planos de alimentação contínuos é geralmente preferido, mas no caso de as necessidades do projeto necessitarem de um plano de alimentação dividido para múltiplas tensões, tenha cuidado ao colocar componentes conectados através da divisão. Linhas de transmissão de alta velocidade não devem cruzar divisões nos planos de alimentação, pois isso interromperá o caminho de retorno para esses sinais. Além disso, evite colocar outros componentes que não fazem parte de um circuito entre componentes desse circuito. Isso também afetará o caminho de retorno para esse circuito.

Vamos olhar um pouco mais a fundo o posicionamento de partes para diferentes blocos de componentes, conectores e outros circuitos.

Preparando para o Posicionamento de Localização através do Planejamento do Layout

Criar um plano de chão para o seu posicionamento de localização é uma maneira eficaz de preparar um layout de PCB de alta velocidade. Planejando com antecedência, você pode levar em conta grupos de componentes como mencionado acima, em vez de ser surpreendido à medida que eles são colocados no final do design. 

Blocos Funcionais

Blocos funcionais de circuitos, como de potência, RF, digital, analógico, etc., devem ser organizados e colocados em grupos para minimizar a cruzamento de sinais. Um plano de chão pré-colocação permitirá que você veja qual é o fluxo de sinal entre os blocos funcionais e como melhor planejar para isso. Por exemplo, agrupe seu analógico de baixa frequência tanto quanto possível para que sinais de alta frequência ou alta velocidade não tenham que cruzar por áreas sensíveis da circuitaria analógica.

EMI e Conectores

Você deve evitar colocar dispositivos sensíveis de alta velocidade próximos à borda da placa. Isso ocorre porque a borda da placa pode agir como uma cavidade aberta que permite que a radiação eletromagnética escape pela borda da placa, o que significa que pode haver mais interferência eletromagnética (EMI) que impacta outros componentes em seu sistema.

Qualquer cabo que sua placa precise para dados ou energia precisará alcançar um conector em sua placa, e estes podem irradiar EMI. Portanto, geralmente é uma boa ideia tentar separar seus conectores e componentes de alta velocidade, blocos funcionais digitais de alta velocidade e blocos analógicos de alta frequência. A maioria das diretrizes afirma que você deve colocar conectores mais próximos às bordas da placa e dispositivos sensíveis de alta velocidade mais próximos ao centro da placa para reduzir a EMI em seu design.

Conectores de borda de alta velocidade para cartões PCIe. 

Gerenciamento de Calor

Os efeitos térmicos são outro aspecto a considerar no posicionamento de design de alta velocidade. Isso ocorre porque as diretrizes de layout de alta velocidade esperam que os dispositivos possam operar em temperaturas mais altas do que os componentes padrão. Para garantir que o posicionamento dos seus componentes quentes permaneça frio, planeje seu posicionamento de modo que esses componentes recebam um fluxo de ar sem restrições. Por exemplo, não coloque componentes mais altos, como conectores, na direção do fluxo de ar para um BGA quente.

Redes de Terminação e Correspondência de Impedância

A estratégia de posicionamento final e mais específica é considerar o local de posicionamento dos seus resistores de terminação. Os designs de PCB de alta velocidade podem precisar de alguma terminação aplicada na extremidade de origem ou na extremidade do receptor de uma interconexão, dependendo das impedâncias dos portos dos componentes e da impedância que você precisa combinar. Esses resistores são frequentemente tratados como uma adição de última hora, uma vez que as principais partes da circuiteria já foram posicionadas. Como esses resistores fazem parte do circuito como um todo, seu posicionamento é extremamente importante para que funcione corretamente.

Não importa onde você queira colocar seus componentes de alta velocidade, você precisará fazer espaço em algum lugar para quaisquer resistores de terminação necessários. Então, onde um projetista deve colocar resistores de terminação, e quais efeitos isso terá no comportamento do sinal? Primeiro, precisamos considerar se estamos adicionando resistores de terminação em série ou paralelo.

Terminação Paralela (Pull-up, Shunt ou Thevenin)

A terminação paralela é normalmente usada para desviar a extremidade de carga de uma linha de transmissão para o terra quando o componente de carga tem alta impedância de entrada. Às vezes, um resistor pull-up é usado para ajustar o nível do sinal para acomodar o receptor. Resistores shunt e pull-up são às vezes usados juntos, chamados de terminação Thevenin, que ajusta o nível do sinal no receptor e define a impedância de entrada da carga para corresponder à impedância da linha de transmissão. Verifique as folhas de dados dos seus componentes para ver qual método de terminação você deve usar em seus projetos.

Este esquema coloca um lado de um resistor de terminação na extremidade do circuito mais próxima ao receptor, enquanto o outro lado é conectado ao plano de alimentação ou ao plano de terra. Quanto maior o comprimento do traço do pino de carga ao resistor, mais o circuito está propenso a reflexão de sinal resultando em degradação do sinal. É por isso que resistores paralelos devem ser colocados o mais próximo possível do pino de carga do receptor, e eles devem ter uma conexão imediata de volta ao plano de alimentação/terra através de uma via.

Terminação em Série

O propósito da terminação em série é ajustar a impedância de saída do driver para ser igual à sua impedância de interconexão. Neste esquema de terminação, um resistor é colocado imediatamente no pino de saída do driver. Como o resistor está muito próximo ao pino de saída do driver, a impedância de entrada vista pelo driver será aproximadamente igual à impedância de entrada da linha de transmissão.

Componentes de alta contagem de pinos, como pacotes BGA, geralmente não requerem terminação em cada pino de driver individualmente. Certas interfaces podem ter terminação interna, então um resistor de terminação externo não será necessário. Para aqueles pinos que requerem terminação em série, precisa haver algum espaço disponível ao redor do componente para aplicar a terminação. No entanto, colocar múltiplos resistores de terminação em série para um dispositivo de grande escala ocupará muito espaço na placa ao redor do dispositivo. Isso exigirá planejamento antecipado para garantir que espaço adequado esteja disponível sem ter que desfazer e substituir trilhas no seu layout de PCB de alta velocidade.

Não importa qual tipo de terminação você precise aplicar, coloque os resistores perto dos componentes que estão terminando. Não os coloque no meio de uma linha de transmissão. Aprenda mais sobre esses métodos de terminação neste artigo.

Fan-in/Fanout

O roteamento para dentro e fora de componentes é uma parte importante do layout e roteamento de PCBs de alta velocidade. Componentes como pacotes quad são fáceis de rotear desde que os traços sejam dimensionados corretamente. Idealmente, os traços devem ser dimensionados de forma que possam se conectar aos pads com mínimo estreitamento quando há uma especificação de impedância. Se a interface tem um requisito de impedância, é melhor tentar projetar o empilhamento de modo que a largura do seu traço combine com o tamanho do pad nos componentes. Se isso não for possível, como por razões de custo, será necessário um estreitamento ou roteamento coplanar com o derramamento de cobre próximo. Coplanar geralmente é impraticável, então é melhor apenas tentar atingir a largura alvo.

Estreitamento de um traço largo para um pino estreito.

Preferimos manter o afunilamento curto em barramentos controlados por impedância devido à necessidade de calcular um comprimento crítico. Na minha opinião, a melhor prática é simplesmente projetar o empilhamento de modo que os requisitos de largura de trilha de 50 ohms já correspondam à largura da trilha para o tamanho do pad. Isso oferece o melhor resultado, onde o afunilamento é completamente eliminado. Em barramentos onde não há especificação de impedância, não se preocupe com isso, a menos que o roteamento se torne muito longo ou você esteja roteando para um cabo.

O que dizer sobre BGAs? BGAs são um tipo de encapsulamento de componente onde o afunilamento às vezes é necessário em barramentos especificados por impedância para conseguir uma trilha entre os pads. Se você está projetando com um BGA, então provavelmente já está no limite das capacidades de qualquer forma, mesmo em pacotes BGA com um pitch de 1 mm. O pitch cria uma exigência de tamanho de pad, e isso cria uma exigência de largura de trilha para manter as distâncias de segurança.

Para garantir que você possa atender à exigência de trilha em barramentos especificados por impedância, você provavelmente precisará usar um material laminado mais fino. BGAs com interfaces especificadas por impedância exigem espessuras de dielétricos menores quando o pitch diminui. Para entender melhor isso, aprenda mais sobre fanouts de BGA neste artigo.

O planejamento de layout e outras estratégias sobre as quais falamos darão a você um ótimo começo quando estiver criando seu layout de PCB de alta velocidade. As melhores ferramentas de design de PCB de alta velocidade podem ajudá-lo com o posicionamento, bem como muitos outros aspectos do design. Software profissional de design de PCB, como Altium Designer^®, possui as ferramentas certas para o trabalho.

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