Dominando PCBs de Alta Velocidade: Guia Completo de Design

Indubitavelmente, a maioria dos projetos de engenharia regulares usa design de PCB padrão. Também, PCBs tradicionais não servem para tudo. Então, se você está lidando com uma aplicação avançada, precisará de um PCB de alta velocidade.

No entanto, projetar PCBs de alta velocidade pode ser complicado. Você precisará prestar atenção a detalhes como integridade de sinal, reflexos e crosstalk. Se você não está familiarizado com nenhum destes termos, este artigo é para você.

Neste artigo, você aprenderá tudo sobre PCBs de alta velocidade e as regras para projetar um. Também compararemos com PCB de alta frequência.

Vamos começar.

O que é um PCB de Alta Velocidade?

Sistema de Alta Velocidade

PCBs de alta velocidade são dispositivos que usam sinais de alta velocidade para transferir dados entre componentes. Os sinais viajam pelas trilhas de cobre da placa até atingir seus alvos. Além disso, o sinal pode ser analógico ou digital.

No entanto, há apenas uma pequena diferença entre placas de alta velocidade e padrão. Mas primeiro, você precisa saber isto: o que usamos para classificar um sistema como "alta velocidade" são as taxas de borda (edge rates) do sinal do sistema. Então, se é rápido, é um PCB de alta velocidade. Portanto, a taxa de borda do sinal do sistema separa PCBs de alta velocidade dos padrão.

Também consideramos qualquer PCB que tenha alta integridade de sinal como PCB de alta velocidade. Outros indicadores que ajudam a diferenciar um design de alta velocidade de um regular é que PCBs de alta velocidade têm front-ends RF para rede sem fio.

Também, a maioria dos designs de alta velocidade foca em designs interconectados, designs de stack-up de PCB e roteamento. Então a terceira área não será problema se você acertar as duas primeiras.

Aplicações de PCB de Alta Velocidade

Múltiplos PCBs

PCBs de alta velocidade funcionam em quase toda aplicação. Aqui estão algumas aplicações que suportam uso de PCBs de alta velocidade:

• Você pode usar PCBs de alta velocidade em sistemas de comunicação de rede. O propósito principal aqui é verificação de integridade de sinal.
• PCBs de alta velocidade podem criar placas de teste digital de alta velocidade. Estas placas podem testar diferentes sinais, incluindo roll-off de sinal RF.
• PCBs de alta velocidade também podem criar eletrônicos de consumo poderosos com altos volumes e curto time-to-market.
• PCBs de alta velocidade também podem criar circuitos de rádio com alta exigência de controle de impedância.
• Adicionalmente, estas placas também funcionam em equipamentos médicos que precisam de operações de alta velocidade.

Outros produtos que usam PCBs de alta velocidade incluem:

• Roteadores
• Canais de dados de alta velocidade
• Servidores
• Amplificadores de potência
• Redes de armazenamento (Storage area networks)
• Módulos transceptores

Regras e Desafios de Design de PCB de Alta Velocidade

Placa de Circuito Impresso

Como todo processo de design de PCB, PCBs de alta velocidade têm regras que definem seu método de design. Enquanto olhamos algumas regras em detalhes, também examinaremos possíveis desafios de design.

Impedância

Você precisa considerar dois valores de impedância ao projetar layout de PCB de alta velocidade. Estes valores incluem impedância single-ended Zo e impedância diferencial Zdiff.

Estes são os valores comuns de impedância para interfaces paralelas e seriais. Além disso, manter a impedância correta ao projetar seus PCBs de alta velocidade é essencial. Caso contrário, suas trilhas de PCB terão reflexos de sinal.

Não é só isso. Usar impedância errada também causará perda de qualidade de sinal, baixa frequência de trabalho e gerará EMI insuportável.

Outros tipos de impedância que você precisa considerar, embora raros, incluem:

• Comum ZCM
• Modo par Zoe
• E modo ímpar zoo

Aterramento (Grounding)

Para a maioria dos designs de PCB de alta velocidade, é impossível rotear todas as interfaces em uma camada. Portanto, você precisará da ajuda de vias para transferir trilhas para múltiplas camadas. No entanto, existem regras específicas que regem este processo.

• Seus designs devem ter o mesmo potencial de polígono GND em todas as camadas, especialmente perto das vias de sinal. Chamamos estas vias GND de vias de costura (stitching vias), e elas precisam estar o mais próximo possível do polígono GND. Além disso, seguir esta regra garantirá que todas as trilhas de alta velocidade tenham a mesma referência GND.

• Tenha cuidado ao projetar suas vias. Um design ruim causará problemas de impedância na sua placa. Mas, você pode evitar isso garantindo que todas as vias tenham diâmetros corretos.

• Usar vias para roteamento de sinais de alta velocidade pode ser complicado. Então, você deve colocar espaço suficiente entre vias para evitar alta densidade de corrente e superaquecimento.

Crosstalk

Crosstalk é qualquer efeito indesejado gerado ao transmitir sinais sobre uma trilha de comunicação. Estes efeitos indesejados geralmente estão em trilhas vizinhas e frequentemente causam mudança de sinal.

Adicionalmente, crosstalk geralmente acontece quando trilhas passam muito próximas uma da outra. Em tal caso, você pode reduzir crosstalk deixando pelo menos espaço 3W entre as trilhas.

Para pares diferenciais, use a regra 5W para espaçar suas trilhas corretamente. Também, se sua placa requer par diferencial transmitindo sinais periódicos, recomendamos mantê-lo a pelo menos 8W de distância de outros pares diferenciais.

Também, deve haver distância suficiente entre trilhas com sinais assíncronos e trilhas de sinal de alta velocidade. Além disso, você pode minimizar crosstalk em placas multicamadas roteando trilhas perpendiculares às trilhas da placa vizinha.

Localização dos Componentes

PCB com Componentes

Localização de componentes é essencial para designs de PCB de alta velocidade. Antes de iniciar seu design, planeje — onde você colocará seus componentes.

Idealmente, você deve colocar um polígono GND separado para componentes analógicos (se houver) e mantê-los longe de trilhas e componentes digitais. Assim, você evita problemas de EMI.

Também, componentes de alta velocidade não precisam de trilhas muito longas. Então, certifique-se de manter espaço suficiente para ajuste de comprimento (length tuning) para que não fiquem próximos a fontes de interferência.

Adicionalmente, você deve evitar posicionar componentes de alta velocidade perto da borda da placa. Terá efeitos adversos na qualidade do sinal. Em vez disso, você pode colocar tais componentes em direção ao centro.

Formato da Trilha (Track Shape)

Diferentes Formatos de Trilha

Trilhas de alta velocidade devem ter cantos arredondados e suaves. Também, você deve evitar curvas agudas. Mas, pode levar tempo razoável para obter o melhor formato de trilha.

A melhor maneira de obter o formato ideal de trilha e evitar mudanças de impedância é dobrá-las em ângulos de 45 graus.

Os Três Grandes Problemas de Designs de PCB de Alta Velocidade

PCBs de alta velocidade têm muitos problemas que podem tornar um circuito inútil se você não os resolver. E, de todos os vários problemas, listamos três maiores que você deve evitar. Vamos examinar estes três de perto.

Temporização (Timing)

Sua placa tem problemas de temporização se seus sinais não estão transmitindo corretamente, especialmente comparados a outros sinais. Um clock controla todos estes sinais, então se sua temporização é ruim, os únicos dados que você receberá são dados corrompidos.

Solução: você pode resolver este problema igualando comprimentos de trilhas acopladas. Isso sincronizará as trilhas com suas taxas de clock e fará elas transmitirem no mesmo tempo.

Ruído (Noise)

Ruído é qualquer forma de interferência que afeta seus sinais durante transmissão. Existe algum ruído em todo PCB, mas nível alto de ruído pode causar corrupção de dados. Portanto, tornando um problema que você deve evitar em seus designs.

Solução: Mantenha distância suficiente entre suas trilhas, tornando-as menos suscetíveis a ruído. Distanciamento adequado também reduzirá o nível de ruído do seu PCB.

Integridade

Se seus sinais não parecem como deveriam após transmissão, tem integridade comprometida. Tais situações geralmente são resultado de interferência que pode afetar integridade de um sinal durante transmissão.

Solução: Usar impedância adequada entre receptor e transmissor pode melhorar integridade e qualidade do seu sinal. Também reduzirá sensibilidade ao ruído do seu sinal.

Habilidades de Design de PCB de Alta Velocidade

Design de PCB

Aqui estão algumas habilidades que você precisa antes de projetar um PCB de alta velocidade.

Como Roteirar Trilhas com Controle de Impedância

PCB com Trilhas Azuis

Você deve entender como calcular stack de camadas e largura de trilha. Os resultados destes cálculos darão os valores essenciais de impedância. Valores errados de impedância afetarão adversamente seu sinal e levarão a corrupção de dados.

Minimização de Área de Loop (Loop Area Minimization)

Sinais de alta velocidade são bastante suscetíveis a problemas EMI/EMC. Mas, você pode reduzir impacto destes problemas seguindo regras básicas simples. Estas incluem reduzir áreas de loop, usar planos de terra contínuos e muitas vias de costura, e otimizar caminhos de retorno de trilhas.

Habilidades de Roteamento de Alta Velocidade

Existem muitas coisas a considerar ao rotear trilhas de alta velocidade. Primeiro, você deve saber como cortar planos de terra e manter trilhas curtas. Também deve blindar suas trilhas de interferência e espaçar linhas digitais para evitar crosstalk.

Use Software de Design Avançado

Projetar PCBs de alta velocidade requer muitos recursos complexos do seu software CAD. E você precisa da habilidade necessária para lidar com estes recursos. Assim, você pode evitar projetar esquemáticos terríveis de alta velocidade.

PCB de Alta Velocidade vs. PCB de Alta Frequência

Placa de Circuito Impresso

Embora alta velocidade e alta frequência tenham definições diferentes, suas placas são essencialmente as mesmas. Ambas usam onda senoidal como portadora de sinais modulados.

No entanto, existem ligeiras diferenças. Por exemplo, usamos circuitos de alta velocidade quando tensão aumenta e diminui em curtos períodos. Ao mesmo tempo, usamos placas de alta frequência com ciclos de circuito curtos.

As diferenças não são tão distintas a ponto de separá-las como placas diferentes. Elas até usam os mesmos materiais base. Você precisa focar em manter a integridade do sinal do seu circuito.

Conclusão

PCB High-tech

Muitas coisas podem dar errado se você não for cuidadoso ao projetar PCBs de alta velocidade. Diferente de PCBs regulares, você precisa de muito tempo e atenção ao desenvolver um esquema de circuito de alta velocidade adequado.

Além disso, você precisa de habilidades específicas antes de fazer qualquer design, como saber rotear suas trilhas corretamente e medir impedância. Também deve observar posicionamento de componentes para não complicar para fabricantes.

Quer fabricar PCB de alta velocidade? Então, entre em contato conosco, e ficaremos felizes em oferecer os melhores conselhos e serviços.