Dominando Projeto de PCB de Alta Velocidade: Conceitos Errados Comuns e Estratégias Comprovadas

Quanto a sistemas eletrônicos de alta velocidade, sucesso do projeto de PCB leva diretamente a alta resolução de problemas em Compatibilidade Eletromagnética (EMC) tanto na teoria quanto na prática. Para atingir padrão EMC, projeto de PCB de alta velocidade enfrenta grandes desafios, então projetistas devem abandonar filosofia e abordagens tradicionais. Esta passagem analisa principalmente mal-entendidos e estratégias no processo de projeto de alta velocidade na perspectiva da prática.

Constante Dielétrica de Material de PCB de Alta Velocidade

Até agora, há três técnicas principais de projeto: técnica de projeto de gráfico de PCB com ruído e atraso, técnica de controle de impedância e tempo de propagação, e técnica de avaliação com impedância como parâmetro, sendo as duas últimas o coração da fabricação. Há também muitas técnicas em transmissões de PCB de alta velocidade e estruturas básicas comumente usadas são microstrip e stripline. Quanto a linhas de transmissão de alta velocidade, Z₀ (parâmetro de impedância) e t_pd (tempo de propagação) são as variáveis mais importantes. Na verdade, se estrutura de microstrip difere de stripline, fórmula de cálculo também difere. Mas em qualquer caso, impedância é sempre estrutura geométrica da linha de transmissão. Na maioria das situações, constante dielétrica de parte do material é influenciada por frequência, taxa de absorção de água, temperatura e características elétricas. Para PCBs de duas ou multicamadas, constante dielétrica é influenciada por proporção de resina e sílica no material.

Hoje, material mais comum é FR4. Fornecedores indicam valores de constante dielétrica baseados nos quais técnicos usarão o material. Em aplicações práticas, parâmetros geralmente obtidos sob 1 MHz, mas em situações de alta velocidade, constante dielétrica tem mudanças óbvias como mostrado na Figura 1.

As três curvas na Figura 1 referem-se a diferentes proporções de sílica e resina. Curva A é a mais alta, B média, C a mais baixa. Se operadores não notarem diferença, grande desvio pode ocorrer entre cálculos/simulação e situações práticas em impedância e tempo de propagação, afetando projeto de integridade de sinal de sistema de alta velocidade.

Problema do Canto de 90°

Canto de 90° deve ser evitado no roteamento na maioria dos documentos porque possivelmente leva a descontinuidade de impedância e radiação EMI. Do ponto de vista teórico, mudança de largura no canto de 90° é comparativamente grande, resultando em grande impedância e séria descontinuidade. Da prática, potência eletromagnética tende a reunir-se no canto e quanto mais pontiagudo, mais reunida. Baseado na análise, radiação EMI torna-se mais proeminente no canto de 90°.

Mas alguns pesquisadores encontram que influência do canto de 90° na impedância está dentro de 10%. Para largura de 6 mil, se torna comprimento chave, estará na faixa THz. Então, estima-se que canto de 90° definitivamente levará a descontinuidade em situações práticas.

Portanto, no roteamento prático, pelo menos na faixa GHz, é desnecessário evitar canto de 90° a custo.

Princípios 20-H

Desde o aparecimento dos princípios 20-H por KNG, foi aceito como princípio principal para projeto de PCB de alta velocidade. Alguns pesquisadores indicam que este princípio ajuda densidade eletromagnética ambiente em camadas concernentes a diminuir ~70%. Também papel efetivo na redução de radiação EMI externa. Porém, muitos experimentos não apoiam expectativas.

Experimentos indicam que para PCBs de duas camadas, princípio 20-H leva a radiação mais séria; para multicamadas, utilização na camada dielétrica interna não traz melhoria óbvia.

Parâmetros de Capacitância de Filtragem

Capacitância de filtragem é medida testada eficaz e econômica para resolver problema EMC em sistema eletrônico. Porém, sistema de alta velocidade traz novos requisitos a desempenho e design aplicável. Módulo simplificado mostrado na Figura 2.

Deve atender: Z_C < Z_S // Z_L (Z_C = 1/2πfC). Mal-entendido comum: desde que Z_C < Z_L, propósito de filtragem alcançado. Na verdade, parâmetros não podem ser determinados a menos que Z_S e Z_L sejam decididos.

Em circuito de alta velocidade, nem Z_S nem Z_L é resistência pura, precisam de valores complexos. Z_C não é capacitância pura e resistência série equivalente e indutância série equivalente devem ser consideradas. Todas são dificuldades na aplicação de capacitância de filtragem em sistema de alta velocidade. Se projetistas ignorarem, diferenças óbvias ocorrerão entre cálculos/simulação e prática.

Empacotamento de Silício

Projetistas de PCB tendem a prestar mais atenção em layout e interconexões entre componentes e ignorar significância do empacotamento. Na verdade, isso pode produzir resultados sérios no projeto de alta velocidade. Empacotamento de silício influencia desempenho através de indutância parasita, resistência parasita e capacitância parasita passando por linhas de conexão e terminais. Esses parâmetros geram ruído, atraso de comunicação, taxa de borda (edge rate) e resposta de frequência. Parâmetros parasitas de diferentes empacotamentos diferem muito. Para silício com mesmo circuito e diferentes empacotamentos, desempenhos mostram características diferentes.

De fato, para sistema de alta velocidade, projeto de silício, empacotamento e nível de placa nunca são independentes. No fluxo de projeto de silício, pacote adequado deve ser escolhido conforme PCB. Layout geral de projeto de silício é influenciado por técnicas e elementos de nível de placa. Para empacotamento, seu casamento com PCB é elemento que deve ser considerado. Mais importante, pacote adequado é muito útil para integridade de nível de placa e problemas EMC/EMI. Portanto, empacotamento nunca deve ser ignorado ou desprezado.

Interferência de Radiação de Corrente de Modo Comum

Nos terminais de transmissão de sinal da PCB, existe corrente de modo diferencial transmitindo sinais úteis e corrente de modo comum sem informação útil, ambas gerando radiação EMI.

Devido à corrente relativamente alta, corrente de modo diferencial foi enfatizada por projetistas com formação de teoria e técnicas controlando radiação EMI de modo diferencial. Como resultado, algumas ferramentas EDA têm funções de simulação e previsão de radiação de modo diferencial. Porém, comparada com diferencial, corrente de modo comum é muito menor, facilmente levando à ignorância de sua radiação.

No entanto, segundo pesquisa recente, embora corrente de modo comum seja muito menor, radiação EMI gerada pela primeira é muito maior que pela segunda. Até agora, radiação EMI de modo comum tornou-se uma das principais fontes de interferência de radiação em placas avançadas de alta velocidade. Pior, geração tem razões complicadas e nem simulação nem previsão podem ser alcançadas. Pesquisa sobre controle ainda em andamento.

Portanto, ao projetar PCB de alta velocidade, é não confiável simular e prever radiação EMI baseada apenas em radiação de modo diferencial.

Recursos Úteis

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