Nunca Cruze uma Lacuna no Plano de Terra em Design de PCB de Alta Velocidade

Eu costumo navegar por fóruns de eletrônica e PCBs, e vejo a mesma pergunta sendo feita repetidamente: Por que não devo traçar uma trilha sobre uma divisão no meu plano de terra? Essa questão é levantada por todos, desde os entusiastas até designers profissionais que estão começando a explorar o design de PCBs de alta velocidade. Para o engenheiro de integridade de sinal profissional, a resposta deveria ser óbvia.

Seja você um engenheiro de layout de PCB experiente ou um designer ocasional, ajuda entender a resposta para essa pergunta. A resposta é sempre apresentada como uma afirmação do tipo sempre/nunca. Eu não gosto muito de dar respostas em termos absolutos para questões de design de PCB, mas neste caso a resposta é clara: Nunca trace um sinal sobre uma lacuna em um plano de terra. Vamos explorar isso mais a fundo e entender por que você não deve traçar uma trilha sobre uma lacuna no plano de terra.

Divisão no Plano de Terra: Design de Baixa e Alta Velocidade

Responder a esta questão requer considerar como os sinais se comportam em DC, baixas velocidades e altas velocidades. Isso porque cada tipo de sinal induzirá um caminho de retorno diferente neste plano de referência. O caminho de retorno que seus sinais seguem terá alguns efeitos importantes na EMI gerada dentro da placa, bem como na suscetibilidade de um circuito particular à EMI. Para ter uma melhor noção de como o caminho de retorno se forma na sua PCB, dê uma olhada neste artigo, assim como neste guia útil de Francesco Poderico.

Se você entender como o retorno de corrente se forma na sua PCB, então fica fácil ver como ele afeta a EMI e a integridade do sinal. Aqui está o motivo pelo qual é importante - e isso se relaciona com o roteamento sobre uma lacuna no plano de terra. O laço formado pelo retorno de corrente na sua placa determina dois comportamentos importantes:

• Susceptibilidade à EMI. O laço criado pela corrente de fornecimento e retorno em um circuito determina a suscetibilidade da placa à EMI. Um circuito com um grande laço de corrente terá uma indutância parasita maior, tornando-o mais suscetível à EMI irradiada.

• Ruídos em sinais de comutação. A indutância parasita em um circuito determina o nível de amortecimento experimentado pela resposta transitória em um circuito quando um sinal alterna entre níveis. Quando considerada junto com a capacitância parasita no seu circuito, as duas quantidades determinam a frequência natural da resposta transitória e a frequência de oscilação amortecida.

Vamos analisar em detalhes os sinais de CC, de baixa velocidade e de alta velocidade:

Tensão/Corrente DC

Quando uma placa funciona com energia DC, a corrente de retorno não será produzida diretamente abaixo do traçado do sinal; ela seguirá uma linha reta de volta ao ponto de retorno da fonte. Isso significa que você basicamente não tem controle sobre o caminho de retorno, e a placa pode ser suscetível a EMI devido à grande indutância parasita. Poderia-se pensar que, como a fonte de alimentação não está comutando, não haveria oscilação transitória, portanto, não importaria se um traçado de microstrip fosse roteado sobre uma lacuna no plano de terra. Embora não haja oscilação, ainda existe o problema da suscetibilidade a EMI. Você deve tentar manter a indutância do loop de DC tão baixa quanto possível, e evitar rotear sobre uma lacuna no plano de terra é a melhor ideia para reduzir a indutância do loop.

Sinais de Baixa Velocidade

Assim como os sinais DC, o caminho de retorno determina a indutância de loop do circuito, o que determina a suscetibilidade a EMI e o amortecimento na resposta transitória. Se a indutância de loop for grande, a taxa de amortecimento será menor e, assim como acontecia com os sinais DC, o roteamento sobre uma lacuna no plano de terra aumenta a indutância de loop, o que afeta a integridade do sinal, a integridade da potência e a EMI.

Infelizmente, os sinais de baixa velocidade são algo como um relíquia, e toda placa que usa lógica TTL e mais rápida se comportará como um circuito de alta velocidade. Com sinais de baixa velocidade (geralmente tempos de subida na casa das dezenas de ns e mais lentos), a amplitude de oscilação em um circuito particular era tipicamente baixa o suficiente para que passasse despercebida. Portanto, contanto que os sinais não fossem roteados sobre uma lacuna no plano de terra, a indutância de loop era tipicamente suficientemente baixa para prevenir oscilações intensas, suscetibilidade a EMI e problemas associados à integridade da potência (veja abaixo).

Sinais de Alta Velocidade

Se eu pegar uma placa projetada para funcionar em baixa velocidade e a operar com sinais de alta velocidade, a amplitude do ringing será maior para uma dada indutância de loop do circuito. Novamente, isso ilustra a necessidade de manter a indutância de loop na placa o menor possível. O objetivo é fornecer o máximo de amortecimento possível para reduzir a amplitude do ringing em um dado interconexão. Novamente, rotear sobre uma lacuna no plano de terra evitará o aumento da indutância de loop. Além disso, um plano de terra deve ser colocado abaixo da camada de sinal que carrega circuitos de alta velocidade para garantir que a indutância de loop seja a menor possível em toda a interconexão.

Exemplo de caminho de retorno para um sinal roteado sobre uma lacuna no plano de terra.

Outra maneira de ver uma lacuna no plano de terra é como uma descontinuidade de impedância. Se um sinal é roteado sobre uma lacuna no plano de terra, a impedância da região sobre a lacuna será maior do que a impedância do restante da interconexão. Isso leva à reflexão do sinal além dos problemas de ringing exacerbados mencionados acima. Dê uma olhada em este artigo do Signal Integrity Journal para aprender mais sobre este aspecto da sinalização de alta velocidade sobre uma lacuna no plano de terra.

Tudo o que foi mencionado acima sobre sinais digitais aplica-se igualmente a sinais analógicos. Os problemas de sinal transitório mencionados acima estão relacionados a problemas de integridade de energia, especialmente em placas que usam componentes com alta contagem de portas/pinos. A pilha de camadas deve ser especificamente projetada para suportar componentes mais rápidos que TTL (veja abaixo).

Trilhas de Alimentação e Lacunas no Plano de Terra

Note que analisamos isso em termos de integridade de sinal, mas as mesmas ideias aplicam-se à integridade de energia. Assim como trilhas microstrip não devem ser roteadas sobre uma lacuna no plano de terra, você também deve evitar rotear trilhas de alimentação na camada superficial sobre uma lacuna no plano de terra. Se você está fornecendo energia DC para um CI digital, o CI irá consumir alguma corrente da fonte de alimentação quando ele alterna entre os estados LIGADO e DESLIGADO. Isso produzirá uma ondulação de tensão na trilha de alimentação.

Esta resposta transiente específica na tensão de alimentação comporta-se como uma oscilação amortecida. Sua amplitude é proporcional à impedância da PDN e é inversamente proporcional ao nível de amortecimento na PDN. Assim como o amortecimento é inversamente proporcional à indutância de loop em uma interconexão padrão de PCB, o mesmo se aplica à resposta transiente em uma PDN. Isso significa que você pode amortecer a resposta transiente na trilha de energia se mantiver a indutância de loop pequena. A melhor maneira de fazer isso é colocar o plano de terra em uma camada diretamente adjacente ao plano de energia e evitar rotear quaisquer trilhas de energia sobre qualquer lacuna no plano de terra.

Se você está trabalhando com uma placa de duas camadas e não tem espaço para planos de terra, você deve planejar cuidadosamente os caminhos de retorno em sua placa para que mantenha a indutância do loop pequena. Uma opção é usar um arranjo em grade de regiões de terra nas camadas superior e inferior e conectá-las com vias. No entanto, se você está trabalhando com sinais de alta velocidade (TTL e mais rápidos), você verá grandes flutuações de tensão nos trilhos de energia devido a capacitância insuficiente na PDN. Esta é a principal razão pela qual planos de energia e terra são colocados em camadas adjacentes em placas de alta velocidade, e o plano de terra é colocado diretamente abaixo da camada de sinal/componente.

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