Плюсы и минусы ортогонального трассирования в многослойных печатных платах

Иногда я вижу вопросы на форумах, некоторые блоги и даже технические заметки, которые продолжают рекомендовать использование ортогональной трассировки, обычно на платах с 2-6 слоями. Когда я смотрю на технические заметки, я склонен полагаться на советы Рика Хартли и пытаюсь думать об этих советах в контексте. К сожалению, рекомендации в технических заметках не всегда воспринимаются с недоверием, и они часто применяются в ситуациях, где они не применимы.

Эта статья больше о том, когда не следует использовать ортогональную трассировку дорожек, а не о том, как ее можно настроить в автоматическом трассировщике или на подобную тему. Если вы долгое время работали в мире ультравысоких скоростей/высоких частот, то это, скорее всего, для вас не новость. Для остальных из нас есть соблазн опираться на старую информацию, которая часто предоставляется без контекста. Это особенно верно для ортогональной трассировки дорожек.

Плохие стеки приводят к перекрестным помехам при трассировке

Я думаю, впервые я увидел рекомендацию использовать ортогональную трассировку на StackExchange. Этот сайт является отличным источником информации по многим темам и определенно является моим основным ресурсом для всего, что связано с программированием и кодированием. С учетом того, что электроника и дизайн печатных плат становятся всё более сложными, легко применять рекомендации с этого и других сайтов без учета контекста, что приводит к случаям, когда эти дизайнерские решения вызывают отказ платы.

Недавно ко мне обратился клиент, который искал помощи в отладке обновления для старого дизайна. Клиент решил использовать классическую рекомендацию по ортогональной трассировке сигналов с использованием шестислойной структуры, показанной ниже. В этой структуре два верхних и два нижних слоя являются слоями сигналов. Трассы в этих слоях были проложены ортогонально между микросхемами, и для перехода между слоями использовались стандартные сквозные переходы.

Не используйте эту простую шестислойную структуру с высокоскоростными сигналами...

Опытный дизайнер уже должен иметь представление о том, что не так с этой картиной. Проблема заключалась в том, что инженер пытался обновить дизайн, чтобы использовать новый MCU, который работает на частоте 400 МГц с высокоскоростными интерфейсами, но без изменения структуры; дизайн имел избыточную перекрестную помеху и не прошел тестирование EMC.

На данном этапе решение должно быть очевидным; правильно спроектировать стек слоёв, и вам не придется полагаться исключительно на ортогональную трассировку для обеспечения целостности сигнала при работе с высокими скоростями нарастания сигнала. Как оказалось, это проблема энергетической целостности, которая меньше связана с ортогональной трассировкой и больше с расположением слоёв. Однако это порождает вопрос: когда следует использовать ортогональную трассировку?

Когда применима ортогональная трассировка?

Ортогональная трассировка используется в двух возможных ситуациях:

• Для выделения вертикальных и горизонтальных каналов трассировки на разных слоях
• Для предотвращения емкостной перекрестной помехи между трассами на соседних слоях за счет минимизации области связи между ними

Первое использование абсолютно уместно и может значительно упростить трассировку, при условии правильного проектирования стека слоёв (см. ниже).

Что касается целостности сигнала, при использовании ортогональной трассировки между двумя соседними слоями сигналов у вас есть следующие проблемы с перекрестными помехами, усложняющиеся по мере прогрессирования:

• На низких скоростях нарастания сигнала помехи будут меньше, даже в соседних слоях сигналов (применимо к UART, I2C и т.д.)
• На более высоких скоростях нарастания сигнала (например, SPI) вы можете заметить помехи в более продвинутых микросхемах
• В дифференциальных парах помехи будут дифференциальными, что не может быть скомпенсировано на приемнике
• На очень высоких скоростях нарастания сигнала (менее нс) вы заметите больше помех и излучаемых эмиссий

Как это должно работать для целостности сигнала? Когда агрессивный цифровой сигнал распространяется, он генерирует магнитное поле, а переключающиеся края сигнала будут генерировать изменяющийся магнитный поток в области вокруг дорожки; это индуктивные помехи. Также между двумя линиями существует электрическое поле; когда агрессивный сигнал переключается, он индуцирует смещающий ток в пострадавшей линии; это емкостные помехи.

Когда межсоединения на соседних слоях прокладываются ортогонально (в перпендикулярных направлениях), магнитное поле от одного проводника всегда будет ориентировано параллельно контуру проводника на следующем слое, что эффективно устраняет прямую индуктивную перекрестную помеху. Хотя это описание технически верно, оно слишком упрощенное и не учитывает другие важные аспекты реальной структуры и разводки печатной платы. Основные проблемы, связанные с использованием ортогональной разводки, касаются скорости переключения, развязки и определения надежного пути возврата. Рик Хартли обсуждает некоторые из этих важных аспектов разводки и структуры в недавнем интервью.

Несмотря на отсутствие индуктивной связи, все еще существует емкостная связь, даже с небольшой площадью пересечения между проводниками. Если вы не правильно спроектировали ваш путь возврата, электрическое поле между слоем сигнала 1 и его землей (см. изображение выше) может связаться обратно с сигналами на слое 2 просто из-за разности потенциалов через их общую емкость, вызывая емкостную перекрестную помеху. Импеданс, воспринимаемый емкостно связанным сигналом, ниже, когда скорость фронта сигнала выше, что создает более сильный импульс тока в пострадавшем проводнике.

Продвинутые конструкции, подобные этой, не будут использовать ортогональную разводку проводников.

На низких скоростях нарастания сигнала вы, вероятно, не заметите емкостной перекрестной помехи, независимо от того, используется ли ортогональная трассировка. Она все равно произойдет, но может быть не достаточно сильной, чтобы пробить порог шума любых компонентов, подключенных к пострадавшим дорожкам. На низкой скорости сигналы, связанные индуктивно, видят более низкое сопротивление, поэтому вы бы захотели трассировать ортогонально на соседних слоях сигналов, чтобы минимизировать индуктивную связь. Работа с низкими скоростями нарастания сигнала - это один из случаев, когда ортогональная трассировка дорожек на соседних слоях сигналов является уместной. Для остальных из нас, мы обычно работаем с временем нарастания сигнала менее наносекунды, что требует тщательного экранирования/изоляции между слоями сигналов, тщательно спроектированный путь возврата, и ультрастабильное питание. Все зависит от разработки правильного стека печатной платы.

Трассируйте Ортогонально, Но Используйте Землю

Суть здесь проста: ортогональная трассировка не является панацеей от проблем с целостностью сигнала, особенно при быстром нарастании сигнала. Однако ортогональная трассировка очень полезна просто для выделения каналов между группами компонентов. Для ее правильного использования в стеке должна быть земля, разделяющая два слоя сигналов.

В приведенном ниже примере я показываю одну из наших устаревших многослойных конструкций с сигнальным слоем на внешней поверхности. L2 - это земля, а L3 содержит канал ортогонального маршрутизации. Вместе такой тип маршрутизации в двух перпендикулярных направлениях создает сверхскоростную автомагистраль для ваших трасс в разных слоях. Маршрутизация очень чистая, разделенная на два разных канала, к которым можно легко получить доступ с помощью сквозных переходных отверстий, идущих от компонентов с обеих сторон платы. Это облегчает маршрутизацию между центральным MCU и чипом RAM в верхней части платы.

Ниже показана структура слоев. Эта структура использует два внутренних сигнальных слоя, но L4 был выделен для управляющих выводов и шин питания. Обратите внимание, что вы можете реализовать тот же стиль маршрутизации на 4-слойной плате с двумя внутренними земляными слоями. Основное руководство здесь заключается в том, что ортогональная маршрутизация приемлема, до тех пор пока земля разделяет два сигнальных слоя.

Это акцентирует внимание на умном размещении компонентов на плате PCB, особенно разъемов. Однако у вас не всегда есть свобода размещать разъемы где угодно. В реальном продукте вас могут ограничивать кабели, входящие в корпус, другие платы в корпусе, необычные распиновки компонентов и необычные распиновки разъемов. Проблема с разъемами, вероятно, является самой большой проблемой, поскольку она может серьезно ограничить трассировку, особенно когда распиновка стандартизирована или когда распиновка ограничена каким-то другим продуктом. В этом случае с разъемами, если вы можете контролировать распиновку через проектирование пользовательского кабеля/жгута, вы можете более легко реализовать стратегию ортогональной трассировки.

Функции проектирования трассировки и стека слоев в Altium Designer^® являются предпочтительным выбором для создания вашей платы и ее разметки. Движок проектирования, управляемый правилами, обеспечивает проверку пути возврата и другие важные DRC в процессе создания вашей разметки. Вы сможете разрабатывать печатные платы высочайшего качества для любого применения. Вы также можете симулировать различные аспекты поведения сигналов с помощью инструментов постлейаутной симуляции в Altium Designer.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки плат, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.