Por Que as Trilhas de Alimentação de PCB Precisam Ser de Baixa Impedância

Como tem sido notado em vários dos meus artigos e nas informações sobre design de PCB disponíveis para a indústria, acertar a impedância é crítico para garantir que um produto funcionará corretamente e conforme projetado.

O que não é tão facilmente compreendido e pode permanecer um desafio se não for adequadamente abordado durante a fase de desenvolvimento do produto, é a necessidade de ter todas as linhas de alimentação do PCB de baixa impedância para que o excesso de ripple nos sinais possa ser evitado. Este artigo abordará essa necessidade, incluindo o que constitui a eletrônica de linha de alimentação, como funcionam, como o medo pode ser um fator motivador para tomar decisões ruins de design, e o que é uma linha de alimentação.

Visão Geral da Impedância

A impedância é uma propriedade significativa das linhas de transmissão. É a resistência que uma linha de transmissão apresenta ao fluxo de energia ao longo dela. É composta por três elementos parasitas—resistência, capacitância e indutância. Como demonstrado, a resistência parasita é o fator primário na determinação da impedância da linha de transmissão em DC ou baixas frequências. À medida que a frequência se torna mais alta que alguns quilohertz, a reatância da indutância parasita tende a bloquear ou impedir o fluxo de energia. Ao mesmo tempo, a capacitância parasita tende a desviar a energia para o “terra” ou o plano. São esses dois elementos que trabalham juntos de tal forma que o campo eletromagnético vê uma impedância específica em todas as frequências.

A Definição de Trilhas de Energia em PCB

Então, o que é uma trilha de energia? Uma trilha de energia é toda ou parte de uma camada plana que é usada para alguma tensão, ela fornece energia para fazer o circuito funcionar. Em praticamente todas as placas de circuito impresso, alguns sinais, muitas vezes metade deles, têm que ser roteados sobre as camadas de energia. Como resultado, é inevitável que qualquer ondulação ou ruído presente em um dado plano de energia será acoplado a qualquer sinal que esteja sendo roteado sobre esse plano específico.

Ripple consiste nas variações de tensão que aparecem nos trilhos de Vcc ou Vdd das fontes de alimentação. Essas variações podem ser criadas pelo próprio trilho da fonte de alimentação ou pelas correntes de carga variáveis que fazem a tensão de alimentação cair. Em termos de ruído, dez possíveis fontes podem ser geradas pelo design. Elas incluem:

• Reflexões
• Salto de terra
• Deslocamentos de terra
• Deslocamentos térmicos
• Queda de IR em trilhas
• Diafonia
• Queda de IR em terra
• Precisão de Referência
• Ruído de Terminador
• Variações da Fonte de Alimentação

Em termos desta discussão onde quase todos os dispositivos lógicos são CMOS, as fontes de ruído mais prováveis são reflexões, diafonia, Vdd, e salto de terra e ripple em Vdd.

Para evitar ter excesso de ondulação nos sinais, os trilhos da PCB devem ser projetados para ter uma impedância muito baixa. Como resultado, ao analisar o delta I versus a ondulação, como acontece ao usar as ferramentas EDA que calcularão qual será a impedância, é possível obter uma resposta que diz que a impedância vai ser relativamente alta. O nível de ondulação ainda será satisfatório. Isso acontece quando o delta I é um número realmente pequeno. A impedância acaba sendo realmente alta, mas isso é porque não há muita carga. Nota: Deve-se notar que alguns eletrônicos de trilhos de energia são de baixa potência, mas isso não é um ponto de discussão para este artigo.

Os Desafios

O desafio ao projetar um trilho de alimentação de PCB para ser de baixa impedância é que o trilho de alimentação provavelmente será uma parte de um plano e não o plano inteiro em si. Portanto, é necessário particionar o plano de alimentação, mas ao fazer isso, haverá lacunas. Como resultado, os sinais que cruzam as lacunas parecerão ter seu caminho de corrente de retorno interrompido pelas lacunas. Esse problema é resolvido projetando essa parte do plano para ser de muito baixa impedância entre o plano e a camada de terra abaixo dele, de modo que a corrente de retorno encontre seu caminho através da lacuna por essa seção que é de muito baixa impedância.

A abordagem anterior elimina a necessidade de abordar o roteamento de trilhas sobre as lacunas nos planos, o que muitas regras de design dizem que não pode ser feito. Figura 1 mostra os dados medidos de sinais cruzando uma lacuna que foi projetada desta maneira. O traço azul é o sinal cruzando uma lacuna no plano sobre o qual ele é roteado. A pequena reflexão ascendente no centro do traço é onde a lacuna está localizada. Como pode ser visto, o sinal sobre a lacuna não é interrompido. (O traço vermelho é um sinal em uma trilha mais curta que não passa por uma lacuna).
 

Por trás de tudo isso está a regra inflexível de que você não deve cortar planos de terra, pois são as estruturas que unem tudo. Nossa experiência mostra que, quando os desenvolvedores de produtos fazem cortes em seus planos de terra, eles estão tentando resolver um problema que imaginaram ou estão tentando resolver a questão de isolar um circuito de outro. O raciocínio clássico e falho por trás disso é separar os terras analógico e digital. Isso acontece quando engenheiros de design não entendem por que há dois pinos diferentes em uma peça, um analógico e outro digital, que fornecem o caminho para dentro do chip. Esses engenheiros muitas vezes operam a partir de um medo de que haverá interferência indesejada de um lado da placa para o outro. Como resultado, eles cortam a placa para isolar o que é, na análise final, um problema imaginário.

A situação anterior pode surgir de um desenvolvedor de produtos que observou, durante a simulação, que há uma diferença ou interferência indesejada entre um lado de uma PCB e o outro e que é significativa o suficiente para causar um problema. Sempre que nos deparamos com esse tipo de cenário, pedimos para ver os dados medidos a partir de hardware real em funcionamento. É apenas por meio desse tipo de evidência que um problema pode ser prontamente identificado.

Resumo

Para evitar ondulações excessivas dos sinais, as trilhas de alimentação da PCB devem ter baixa impedância. Como o circuito da trilha de alimentação provavelmente será parte de um plano e não o plano inteiro em si, é necessário particionar o plano de alimentação. Isso criará lacunas, e parecerá que essas lacunas interrompem o caminho de retorno da corrente. Isso é resolvido pela engenharia dessa parte do plano para ter baixa impedância, de modo que a corrente de retorno encontre seu caminho através dessas lacunas.

Tem mais perguntas? Ligue para um especialista na Altium e descubra como podemos ajudá-lo com o seu próximo design de PCB.