Что такое защитные дорожки в дизайне печатных плат и работают ли они?

Защитные дорожки на печатных платах - это еще одна тема, по которой продолжает существовать много противоречивой информации. Существует множество различных источников, касающихся их использования. Существует путаница относительно того, какие типы конструкций — аналоговые схемы, смешанные сигналы или цифровые — якобы извлекают наибольшую пользу от использования защитных дорожек; как защитные дорожки блокируют электромагнитные поля; важность того, чтобы концы дорожек были не подключены, заземлены с одного конца или заземлены с обеих концов и какие типы дорожек получают наибольшую пользу от использования защитных дорожек — микрополосковые или стриплайновые. Эта статья рассмотрит все эти темы и представит данные с реального оборудования, которые документируют, почему защитные дорожки, независимо от их реализации, не предоставляют реальной ценности и почему высота дорожки над плоскостью и разделение дорожек является лучшим методом контроля за перекрестными помехами.

Происхождение защитных дорожек

Защитные дорожки действительно имеют определенную ценность в конкретных реализациях продуктов, особенно в тех, которые имеют чрезвычайно высокое сопротивление, низкошумовой аналоговый дизайн печатных плат и очень слабый источник питания. Например, в машине ЭКГ, которая имеет высокое сопротивление и низкую частоту, существует риск возникновения емкостной связи извне в дорожку. Сигнал настолько слаб, что для его нарушения не требуется много внешних воздействий. В этом случае защитная дорожка вокруг сигнальной дорожки может подавить емкостную связь. Так что насчет аналоговых и цифровых дизайнов? Трудно разделить ценность защитной дорожки и отсутствие таковой, исходя из того, является ли продукт аналоговым или цифровым устройством. Определение ситуации на основе того, является ли она аналоговой, слишком обобщенно. Например, мощный аудиоусилитель также является аналоговым.

То же самое верно и для смешанных сигнальных конструкций и вопроса о том, можно ли их классифицировать как хорошие "цели" для защитных дорожек. Реализация продукта со смешанным сигналом начинается с аналогового сигнала, который в какой-то момент преобразуется в цифровой. Это достигается с помощью АЦП, и это обычное определение продукта со смешанным сигналом. В современных реализациях продуктов все радиоустройства внутри цифровые, даже радиочастотные части. Цифровая радиочастотная схема больше не состоит из индуктивных (L) и емкостных (C) сетей. Например, в мобильном телефоне нигде не найдешь ни L, ни C. Антенны напрямую подключаются к чипу, который немедленно преобразует этот сигнал из аналогового в цифровой даже на очень высоких радиочастотах. Также следует отметить, что в различных источниках информации о использовании защитных дорожек, которые в настоящее время находятся в обращении, отмечаются как ближний, так и дальний перекрестные помехи. В цифровом мире перекрестные помехи, которые вызывают беспокойство, это обратные перекрестные помехи. Это показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Прямые и обратные перекрестные помехи в зависимости от длины

Что такое защитная дорожка?

Основная идея защитных дорожек заключается в том, что когда вы размещаете защитную дорожку между двумя линиями передачи, вы блокируете электромагнитное поле между ними и подавляете нежелательные перекрестные помехи, возникающие между ними. На самом деле, вставка защитной дорожки между двумя линиями передачи увеличивает расстояние между ними, и именно это увеличение расстояния снижает перекрестные помехи, а не защитная дорожка. Если бы провод мог остановить электромагнитное поле, трансформатор не работал бы. Ожидается, что когда энергия проходит мимо этого провода, часть её по пути подхватывается. Мы зависим от этого для работы трансформатора. Провод не останавливает магнитное поле.

Трасса является распределенной LC-сетью, которая может резонировать на определенной частоте. Если геометрия трассы подходящая, она может резонировать на интересующей частоте в дизайне, создавая полосовой фильтр, который увеличивает, а не уменьшает перекрестные помехи. На рисунке 2 показан такой дизайн. Это изображение неудачного бэкплейна суперкомпьютера, который был построен в конце 1980-х годов. Инженеры проекта беспокоились о том, что импеданс линий передачи бэкплейна может перегрузить драйверы. Чтобы предотвратить это, импеданс бэкплейна был установлен на уровне 70 Ом. Дизайнеры бэкплейна вставили защитные трассы для контроля нежелательных перекрестных помех. Длина защитных трасс оказалась таковой, что они резонировали на частоте тактового сигнала компьютера. В результате произошло нежелательное взаимодействие между сигналами, распространяющимися поперек бэкплейна, что привело к нестабильности работы компьютера. Решением стало отказаться от дизайна и начать все сначала. Это никогда не является хорошей идеей, когда вы пытаетесь успеть на критически важные рыночные окна и контролировать общие затраты на разработку продукта.

Также стоит отметить, что в современных интернет-продуктах печатные платы настолько переполнены схемами и сигнальными трассами, что нет места для защитных трасс. Они физически невозможны.

Рисунок 2. Бэкплейн шины с "защитными" трассами

Для чего служит управление перекрестными помехами с помощью защитной дорожки?

Существует значительное количество информации о том, как завершение защитных дорожек повышает их эффективность в управлении перекрестными помехами. Варианты следующие: плавающие защитные дорожки; защитные дорожки, завершенные с одного конца, и защитные дорожки, завершенные с обоих концов. На самом деле, независимо от того, как завершены защитные дорожки, все они являются резонансными LC-сетями и могут создавать полосовой фильтр, и ни одна из них не выполняет то, что от них предполагается.

Кроме того, соединение обоих концов дорожки с земляной плоскостью не означает, что дорожка была подключена к «земле», ни она способна блокировать ЭМ поле. Провода любого типа, независимо от того, как подключены их концы, не блокируют ЭМ поля. Это разделение между дорожками определяет, как контролируются перекрестные помехи. Рисунок 3 показывает, как увеличение расстояния между двумя линиями является способом контроля перекрестных помех между этими линиями.

Рисунок 3. Обратные перекрестные помехи против расстояния от края до края и высоты над ближайшей плоскостью

Также утверждается, что для эффективности защитной дорожки в конфигурации стриплайн, длина защитной дорожки должна точно соответствовать длине связанной дорожки. Однако геометрические характеристики защитной дорожки не влияют на её способность контролировать перекрёстные помехи, поскольку именно расстояние между дорожками определяет, насколько хорошо удаётся снизить связь.

Защитные дорожки на печатных платах: микрополосковая vs стриплайновая топологии

Ряд источников указывает на то, что эффективность защитных дорожек различается для микрополосковых и стриплайновых топологий, причём результат заключается в том, что защитные дорожки неэффективны для микрополосковых топологий, но эффективны для стриплайновых, при условии, что оба конца защитной дорожки заземлены. Поскольку наличие или отсутствие заземления защитной дорожки не имеет значения, также не имеет значения и её эффективность в любой из конфигураций.

Работают ли защитные дорожки?

Понимание того, что работает для контроля перекрёстных помех, возвращается к пониманию основных законов физики и работы электромагнитных полей.

Классическая трассировка всегда предполагала линии 5 мил и промежутки 5 мил. Вы можете иметь такое расстояние вместе с высотой над плоскостью 5 мил. Это конфигурация, которую вы бы имели на четырехслойной печатной плате, такой как материнская плата ПК. Это даст вам 8% перекрестных помех. Если бы вы этого не хотели и вставили бы защитную дорожку, вам бы пришлось разделить передающие линии край к краю на 15 мил. Это сокращает перекрестные помехи до 0,8%. Это снижение перекрестных помех в 10 раз, и предполагается, что это благодаря защитной дорожке. На самом деле это пространство между дорожками снижает связь, а не защитная дорожка. Как только физика разделения становится понятной, становится легко проектировать печатные платы таким образом, чтобы перекрестные помехи контролировались интринсически как часть этого процесса проектирования.

При проектировании печатной платы (PCB) для контроля перекрестных помех важно убедиться, что линия передачи проходит над сплошной плоскостью и не требует наличия постоянного тока, называемого землей. Это может быть плоскость Vdd. Таким образом, энергия находится между дорожкой и плоскостью. Чем ближе плоскость к линии передачи, тем лучше вы обеспечиваете, что энергия идет между дорожкой и плоскостью, а не к соседним дорожкам. Идеально, если вы начинаете процесс стекирования PCB с размещения дорожки как можно ближе к плоскости. Затем вы выбираете значение, которое можно изготовить. В большинстве случаев невозможно приблизиться ближе, чем на 4 милса. Таким образом, вы начинаете с 4 милсов, а затем устанавливаете разделение для цели по перекрестным помехам и ширину дорожки для цели по импедансу.

Как оценить все данные о защитных дорожках, которые есть в наличии?

В индустрии существует много данных, которые якобы подтверждают все сделанные выводы относительно эффективности защитных дорожек. Но важно помнить, что предлагаемые симуляции и уравнения основаны на теории, а не на фактических результатах в аппаратуре. Симуляции имеют свою ценность, но только когда они подкреплены фактическими физическими доказательствами на печатной плате, их можно считать корректными.

В конечном итоге, контролируют ли защитные дорожки перекрестные помехи?

Защитные дорожки на печатных платах, независимо от их реализации и подключений, не контролируют перекрестные помехи. Фактически, поскольку защитные дорожки могут создавать полосовые фильтры, они на самом деле могут увеличивать перекрестные помехи, а не уменьшать их. Хорошее понимание основ физики и работы электромагнитных полей - ваш лучший арсенал в борьбе с перекрестными помехами.

Есть еще вопросы? Звоните эксперту в Altium или узнайте, как избежать перекрестных помех с Altium Designer^®.

Ссылки:

1. Ричи, Ли В. и Засио, Джон Дж., "С первого раза, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Том 1."