Integridade de Sinal em PCBs Multi-Board: Um Guia Completo

O design de PCBs multi-board parece muito simples à primeira vista. Você está projetando um conjunto de várias placas e as conectando com cabos, conexões de borda, conectores mezanino, pinos pogo, etc. PCBs multi-board apresentam um conjunto de desafios de integridade de sinal que nem sempre são encontrados em sistemas que possuem apenas uma única PCB. Seja você tendo uma única placa ou um conjunto de várias placas, a integridade do sinal precisa ser mantida, especialmente em sistemas avançados encontrados em áreas como militar, aeroespacial, HPC e IA.

Onde, então, aplica-se os princípios de integridade de sinal em um conjunto de várias PCBs? Existem algumas áreas onde a integridade do sinal precisa ser mantida e muitas vezes qualificada experimentalmente:

• Pinagem e interfaces de conectores
• Designs de cabos e chicotes
• Conexões de volta a um invólucro, por exemplo, um invólucro metalizado

Problemas de integridade de sinal nessas áreas também podem se transformar em problemas de EMI/EMC, e isso é especialmente verdadeiro em PCBs multi-board.

Neste guia, meu objetivo é ilustrar como selecionar componentes e projetar interconexões de modo que a integridade do sinal em múltiplas placas seja mantida. Essas etapas ainda não eliminam a necessidade de integridade do sinal na própria PCB; ambas as áreas são importantes nos sistemas e ajudam a prevenir problemas de EMI.

Sinais e Emissões em Interconexões de Múltiplas Placas

Ao nos referirmos ao projeto de PCBs múltiplas, obviamente estamos transferindo sinais entre duas PCBs, então devemos saber algo sobre os sinais e as potenciais emissões que eles podem criar. Esta referência a emissões é um dos elos centrais entre EMI/EMC e o projeto de PCBs múltiplas.

O tipo de emissões e ruído que você pode esperar depende do tipo de sinal que você precisa enviar entre duas PCBs:

• Sinais diferenciais, que são auto-referenciados
• Sinais de extremidade única, que requerem uma referência
• Sinais sinusoidais ou de banda estreita, que geralmente são de extremidade única

O tipo de sinal e a taxa de transição determinarão o design do seu pinout, assumindo que um pinout não tenha sido predeterminado para você. Se você puder projetar seu pinout de forma apropriada e selecionar o conector apropriado, você pode garantir a integridade do sinal através da interface do conector.

Além do design do pinout, o próprio conector pode ser responsável por problemas de integridade de sinal. O principal problema de integridade de sinal que pode surgir em conexões placa-a-placa é o excesso de reflexão, que leva à radiação. No campo próximo, a radiação pode ser rastreada diretamente ao corpo do conector, mais notavelmente devido à falta de uma referência de terra consistente que conteria um sinal. Finalmente, embora um conector específico possa ter um pinout apropriado e seja classificado para uma certa taxa de dados, a entrada de trilha incorreta no corpo do conector ou tocos remanescentes podem criar perda excessiva.

Primeiro, vamos olhar para o tipo de conectores que seriam necessários em situações onde a integridade do sinal é uma grande preocupação.

Melhores Tipos de Conectores para Integridade de Sinal

Os principais fornecedores de conectores desenvolveram múltiplos sistemas de interconexão placa-a-placa que foram comprovados para uso em taxas de dados muito altas. Em outras palavras, esses sistemas de conectores demonstraram operar com sucesso até larguras de banda de canal muito altas, conforme determinado a partir de parâmetros do dispositivo. Alguns exemplos desses tipos de conectores incluem:

• Conectores de borda para placa com contatos deslizantes
• Conectores tipo lâmina (vertical e de borda)
• Sistemas de conectores de lâmina ou slot de montagem através do furo, como nos sistemas VPX
• Sistemas de conectores com pinos deslizantes
• Conectores do tipo coaxial para arranjos de conectores
• Conectores de montagem BGA de alta densidade

Um ótimo exemplo de uma peça que pode suportar essas taxas de sinal de alta velocidade é o par de conectores de acoplamento Samtec de 40 pinos QTE/QSE, mais conhecido como o conector SYZYGY.

Número da peça: Samtec QTE-020-01-F-D-A

No âmbito dos sistemas RF, particularmente sistemas de ondas milimétricas, também existem produtos de conectores coaxiais agrupados que podem ser montados em uma PCB e interagir com um cabo. Por exemplo, o conector SMPM agrupado abaixo.

Número da Peça: TE Connectivity 2441485-1

Finalmente, eu sempre gosto de apresentar um exemplo de conector passante que pode ser encontrado em backplanes VPX para ilustrar a utilidade desses conectores, mesmo em interconexões de alta velocidade. Embora o conector seja montado como um componente passante, a interface de placa para placa não usa pinos como os que você encontraria em um cabeçalho. Em vez disso, são conectores de contato deslizante que são compatíveis com taxas de dados muito altas.

Conectores de acoplamento Amphenol SpaceVPX VITA 78

Porque este conector específico é montado através de furo em uma placa de circuito, você precisaria implementar a perfuração traseira nos pinos de maior velocidade, ou teria que rotear através de todo o empilhamento. Outra opção é usar vias em forma de bumerangue, mas tipicamente as placas nas quais esse tipo de conector é usado não estão utilizando camadas de construção HDI devido a preocupações com a confiabilidade.

Portanto, se conectores montados através de furo serão usados para transportar sinais em canais digitais de alta velocidade, certifique-se de planejar cuidadosamente as rotas para que você possa rotear sinais através do empilhamento. É aqui que o planejamento de pinagem também se tornará importante, como veremos em breve.

Design de Pinagem para Interconexões Multi-Placa de Alta Velocidade

Os pinouts para interconexões entre múltiplas placas que suportam sinais de alta velocidade precisam incluir alguma referência de terra através de uma interconexão placa-a-placa. Isso se aplica tanto para conexões diretas placa-a-placa quanto para conexões placa-cabo. Assim como em um empilhamento de PCB, onde alocamos certas camadas para planos de terra, gostaríamos de alocar certos pinos para terra em um pinout de conector.

Uma regra muito simples é aterrar pinos entre sinais digitais. Um dos exemplos comuns que mostro está em outro artigo sobre roteamento em backplanes, especificamente backplanes VPX. A imagem abaixo mostra o roteamento de pares diferenciais em um pinout operando a múltiplos gigabits por segundo. Note que este conector é um componente montado verticalmente através de furo, e as trilhas de entrada estão próximas da camada traseira para deixar um stub residual mínimo.

Estes pinos diferenciais de Gbps estão dispostos diagonalmente neste pinout e são separados um do outro por terra. Embora você pudesse passar muitos mais sinais através deste conector, alocar muitos dos pinos para terra é essencial para suprimir o crosstalk diferencial e as emissões irradiadas.

Diretrizes para Pinout

Siga estas diretrizes simples para o design de pinout para ajudar a garantir a integridade do sinal:

• Utilize pinos de terra intercalados sempre que possível
• Posicione pinos de sinal único adjacentes aos pinos de terra
• Em pares diferenciais, coloque os pinos positivo e negativo um ao lado do outro
• Evite sobrepor pinos diferenciais em múltiplas fileiras
• Se houver pinos não utilizados, conecte todos ao GND

Por Que Interfolhamos Terra nos Pinos

Nos exemplos acima, você pode ver que os pinos de sinal de entrada são cercados por pinos de terra. Isso é feito por três razões:

• Para minimizar a diafonia entre pinos
• Para estabelecer uma impedância de entrada consistente no conector
• Para suprimir emissões radiadas dos sinais
• Para conter ruído de modo comum em pinos diferenciais

Essas são as razões básicas pelas quais incluímos pinos de terra tanto em interconexões de sinal único quanto em interconexões diferenciais que entram em um conector de múltiplos pinos. A principal razão é fornecer terra para sinais de sinal único, o que reduzirá emissões radiadas e diafonia independente, especialmente se um sinal for roteado para fora em um cabo. A segunda razão é que o terra é frequentemente necessário em cabos para definir a impedância do cabo, o que é verdade para cabos padronizados com cabos de par trançado, como cabos USB.

O mesmo se aplica a conectores e cabos com sinais diferenciais. Embora seja verdade que pares diferenciais são auto-referenciáveis, a presença de terra modifica o campo elétrico ao redor do par diferencial, e é por isso que isso impacta o potencial para diafonia diferencial.

Entrada de Linha de Transmissão

Conectores para sinais de alta velocidade podem não ter recomendações específicas de entrada de linha de transmissão na folha de dados do componente quando os traços estão na mesma camada que os pinos do conector. O conector terá alguma impedância de entrada olhando para o seu cabo ou conector correspondente, e isso precisa ser compatibilizado com a impedância da linha de transmissão. Normalmente, isso é apenas uma impedância de 50 ohms para traços de sinal único ou uma impedância diferencial de 100 ohms para traços diferenciais.

Uma nota importante sobre traços diferenciais: uma impedância diferencial de 100 ohms neste caso realmente corresponde a uma impedância de modo ímpar de 50 ohms. Se a interconexão é diferencial, certifique-se de que você está compatibilizando com a impedância diferencial do conector.

Um exemplo de entrada de linha em um conector de alta densidade de duas fileiras é encontrado abaixo. Na imagem, temos traços de sinal único e traços diferenciais.

Nesta imagem de entrada de trilha, os pares diferenciais distantes do conector estão espalhados, mas as trilhas se aproximam durante a entrada no conector. É apropriado aproximar essas trilhas à medida que a rota entra nos pinos do conector, assim como você faria se estivesse entrando nos pinos de um circuito integrado. Outra característica notável deste conector é o contato central, que é alocado ao GND e permite o uso de múltiplos pares diferenciais dentro do grupo de pinos.

Em seguida, observe que as larguras das trilhas são semelhantes ao tamanho do pad. É possível ter a trilha mais larga que o tamanho do pad, mas você pode precisar reduzir essa trilha ao entrar no pad. Isso pode ser necessário porque, à medida que as trilhas se aproximam dos pinos, você pode violar as distâncias de segurança, e a redução seria necessária. Lembre-se, estas são trilhas de impedância controlada, então, se você precisar ter trilhas mais estreitas, será necessário tornar o substrato mais fino ou usar um valor de constante dielétrica mais alto.

Finalmente, podemos ter entrada de trilha através de vias, e isso pode ser feito como via no pad ou uma transição mais afastada dos pinos do conector. Dependendo do espaçamento dos pinos, você pode precisar espaçar as vias para evitar um erro de DRC de distância.

Lembre-se de que estamos lidando com um conector classificado para sinais de alta velocidade, portanto, a transição via também precisa ser intencionalmente projetada. A intenção é combinar a impedância característica da via com a impedância de entrada do pino do conector, com o resultado final sendo que a impedância de entrada combinada vista na via corresponde à impedância da sua linha de transmissão. Isso significa dimensionar adequadamente o seguinte:

• Tamanho do antipad
• Diâmetro da via
• Tamanho do pad de aterrissagem da via
• Presença ou remoção de NFPs
• Localização e número de vias de costura

Essa é geralmente a abordagem que você tomaria ao lidar com uma transição de sinal único ou diferencial que requer uma largura de banda de canal alta. Isso começa a ser importante quando você está trabalhando acima de aproximadamente 3 GHz, o que eu mostrei em detalhes em outro artigo.

Analisando Links de Alta Velocidade com Conectores Usando Parâmetros-S

Assim como outros links de alta velocidade, os parâmetros-S podem ser usados para analisar linhas de transmissão com conectores e cabos como parte da interconexão. Claro, é possível construir uma geometria de interconexão inteira usando um modelo 3D do corpo do conector, e até mesmo um modelo 3D do cabo; você então usaria um solucionador de campo eletromagnético 3D para determinar os parâmetros-S para o link inteiro. Obviamente, esta é uma tarefa muito demorada, que requer muita capacidade de computação, bem como software especializado.

Felizmente, fornecedores de conectores que comercializam seus produtos para uso em links digitais de alta velocidade ou links de RF de alta frequência frequentemente fornecem dados de parâmetros-S para seus produtos em arquivos Touchstone. Você pode então usar os dados do fornecedor do conector para criar um modelo de rede linear para a interconexão e, em seguida, determinar os parâmetros-S em cascata.

Ferramentas de análise como Simbeor, MATLAB e Keysight ADS podem então determinar os S-parâmetros em cascata para este modelo. Isso indica a transmissão de energia e as perdas ao longo de todo o interconector. Agora, você pode prever como o link funcionará com base em outros parâmetros do seu projeto que você pode controlar, notavelmente o design da linha de transmissão e o design de entrada do conector. Nesta rede, os S-parâmetros para cada seção individual devem ser conhecidos, e então o simulador pode calcular a rede em cascata e seus S-parâmetros.

E sobre o problema inverso, onde você não conhece os S-parâmetros do conector? Neste caso, você precisaria usar medições para desembutir os S-parâmetros para o conector. Neste caso, o conector forma o DUT na rede linear, e seus S-parâmetros do conector são determinados a partir dos S-parâmetros da rede em cascata usando desembutimento. Os mesmos programas de análise listados acima também podem ser usados para desembutir os S-parâmetros para o conector, desde que os S-parâmetros para os outros componentes na rede linear sejam conhecidos.

Para aprender mais, assista ao seguinte vídeo de Ben Jordan.