Equívocos e estratégias no projeto de PCB de alta velocidade

No que diz respeito aos sistemas eletrônicos de alta velocidade, o sucesso do projeto de placas de circuito impresso leva diretamente à alta resolução de problemas no sistema de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) tanto na teoria quanto na prática. Para alcançar o padrão EMC, o projeto de PCB de alta velocidade enfrenta grandes desafios, de modo que os projetistas de PCB de alta velocidade devem abandonar a filosofia e as abordagens de projeto tradicionais em seu processo de projeto. Esta passagem analisa principalmente os equívocos e estratégias no processo de projeto de PCB de alta velocidade a partir da perspectiva da prática.

Constante dielétrica do material PCB de alta velocidade

Até agora, existem principalmente três técnicas de projeto em termos de projeto de PCB de alta velocidade:técnica de projeto de gráfico de PCB de ruído e atraso, técnica de controle de tempo de atraso de propagação e impedância e técnica de avaliação com impedância de PCB como parâmetros, entre os quais os dois últimos tipos de técnicas são o coração da fabricação de PCB. Existem também muitas técnicas em transmissões de fabricação de PCB de alta velocidade e as estruturas básicas comumente usadas são microstrip e strip line. Quanto às linhas de transmissão PCB de alta velocidade, Z₀ esse é o parâmetro de impedância e t_pd que é o tempo de atraso de propagação são as variáveis ​​mais importantes. Na verdade, se a estrutura da microfita for diferente daquela da linha de tira, a fórmula de cálculo também será diferente. No entanto, em qualquer caso, a impedância é sempre a estrutura geométrica da linha de transmissão. Na maioria das situações, a constante dielétrica de parte do material PCB é influenciada pela frequência, taxa de absorção de água da área, temperatura e características elétricas. Para PCBs de duas camadas ou multicamadas, sua constante dielétrica é influenciada pela proporção de resina e silício no material de PCB.


Atualmente, o material PCB mais utilizado é o FR4. Normalmente, os fornecedores de material de PCB indicam os valores da constante dielétrica com base em quais técnicos do projeto usarão o material. Nas aplicações práticas, os parâmetros de valor são geralmente obtidos na situação de 1MHz enquanto que em situações de alta velocidade, a constante dielétrica tem mudanças óbvias como mostrado na Figura 1.

As três curvas da Figura 1 referem-se às diferentes proporções de silício e resina. Entre as três curvas, a curva A é a mais alta, a B média e a C a mais baixa. Uma vez que os operadores não percebam a diferença, pode ocorrer um grande desvio entre o resultado dos cálculos ou da simulação e situações práticas de impedância e tempo de atraso de propagação, o que afetará o projeto da integridade do sinal do sistema de alta velocidade.

Problema do canto de 90°

O canto de 90° deve ser evitado no roteamento de PCB na maioria dos documentos, pois possivelmente levará à descontinuidade da impedância e à radiação de interferência eletromagnética (EMI). Do ponto de vista da teoria, a mudança de largura do canto de 90° é comparativamente grande, o que resulta na grande impedância e na descontinuidade grave da impedância. Do ponto de vista da prática, a energia eletromagnética tende a se acumular no canto do roteamento e quanto mais pontiagudo o canto, mais energia acumulada é. Com base na análise acima, a radiação EMI torna-se a mais saliente no canto de 90°.


Mas alguns pesquisadores descobriram que a influência do canto de 90° na impedância está dentro de 10%. Para a largura de roteamento de 6mil, se se tornar um comprimento de chave, estará na faixa de THz. Assim, pode-se estimar que o canto de 90° definitivamente levará à descontinuidade da impedância nas situações práticas.


Portanto, no roteamento prático de PCB, pelo menos dentro da faixa de GHz, é desnecessário evitar o canto de 90° a um custo.

Princípios 20-H

Desde o surgimento dos princípios 20-H pela KNG, foi aceito como o principal princípio para o design de PCB de alta velocidade. Mesmo alguns pesquisadores indicam que este princípio é capaz de ajudar a densidade eletromagnética do ambiente nas camadas de PCB a diminuir em aproximadamente 70%. Além disso, também desempenha um papel eficaz na redução da radiação EMI externa. No entanto, muitos experimentos não suportam as expectativas dos pesquisadores.


Alguns experimentos indicam que, para PCBs de duas camadas, o princípio 20-H leva a uma radiação mais séria, enquanto para PCBs multicamadas, a utilização do princípio 20-H na camada média interna não traz melhorias óbvias.

Filtrando Parâmetros de Capacitância

A capacitância de filtragem é uma medida testada eficaz e econômica usada para resolver o problema de EMC no sistema eletrônico. No entanto, o sistema eletrônico de alta velocidade traz novos requisitos para o desempenho e design aplicável da capacitância de filtragem. O módulo simplificado de capacitância de filtragem é mostrado na Figura 2.

Ele deve atender ao seguinte requisito:Z_C S // Z_L (Z_C =1/2πfC). Um mal-entendido comum indica que enquanto Z_C é menor que Z_L , o objetivo de filtrar a capacitância pode ser alcançado. De fato, os parâmetros de capacitância de filtragem não podem ser determinados a menos que os valores de Z_S e Z_L são decididos.


No entanto, em circuito de alta velocidade, nem Z_S nem Z_L é pura resistência, necessitando de valores complexos. Enquanto isso, Z_C não é capacitância pura no circuito de alta velocidade e tanto a resistência em série equivalente quanto a indutância em série equivalente devem ser levadas em consideração. Tudo isso são dificuldades na aplicação da capacitância de filtragem no sistema eletrônico de alta velocidade. Uma vez que os projetistas ignorem esses aspectos, diferenças óbvias ocorrerão entre o resultado dos cálculos ou da simulação e a prática.

Embalagem de silicone

Os projetistas de PCB tendem a prestar mais atenção no layout da PCB e nas interconexões entre os componentes nas PCBs e ignoram o significado da embalagem dos componentes. Na verdade, isso possivelmente produzirá sérios resultados para o design de PCB de alta velocidade. A embalagem de silício tem influência no desempenho do silício através da indutância parasita, resistência parasita e capacitância parasita passando pelas linhas de conexão e chumbo. Esses parâmetros irão gerar ruído, atraso de comunicação, taxa de borda e resposta de frequência. Os parâmetros parasitários de diferentes embalagens possivelmente diferem muito. Para o silício com o mesmo circuito e embalagem diferente, seus desempenhos apresentam características diferentes.


Na verdade, para sistemas eletrônicos de alta velocidade, design de silício, design de embalagem e design em nível de placa nunca são independentes um do outro. Para o fluxo de projeto em silício, um pacote adequado deve ser escolhido de acordo com o PCB. O layout geral do design de silício é influenciado tanto pelas técnicas quanto pelos elementos de nível de placa. Para a embalagem de silício, sua correspondência com PCB é um elemento que deve ser considerado. O que é mais importante, um pacote adequado é muito útil em termos de integridade do nível da placa e problemas de EMC/EMI. Portanto, a embalagem de silicone nunca deve ser ignorada ou desprezada.

Interferência de radiação de corrente de modo comum

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


Por causa de sua corrente relativamente alta, a corrente de modo diferencial tem sido enfatizada pelos projetistas de circuitos com a formação de teoria e técnicas que controlam a radiação EMI de corrente de modo diferencial. Como resultado, algumas ferramentas EDA têm funções de simulação e previsão de radiação EMI de corrente de modo diferencial. No entanto, em comparação com a corrente de modo diferencial, a corrente de modo comum é muito menor, levando facilmente à ignorância dos projetistas da radiação EMI de corrente de modo comum.


No entanto, de acordo com pesquisas recentes, embora a corrente de modo comum seja muito menor que a corrente de modo diferencial, a interferência de radiação EMI gerada pela primeira é muito maior do que pela segunda. Até agora, a radiação EMI de corrente de modo comum tornou-se uma das principais fontes de interferência de radiação em placas de circuito avançado de alta velocidade. O que é pior, a geração de radiação EMI de corrente de modo comum viu razões complicadas e nem simulação nem previsão podem ser alcançadas. Além disso, a pesquisa sobre o controle da radiação EMI de corrente de modo comum ainda está em andamento.


Portanto, ao projetar PCB de alta velocidade, não é confiável simular e prever a radiação EMI com base apenas na radiação EMI de corrente de modo diferencial.

Recursos úteis
• Dicas de layout de alta velocidade
• Técnicas de roteamento de PCB de alta velocidade para reduzir a influência de EMI
• Pesquisa sobre design de PCB de alta velocidade em sistemas de aplicativos embarcados
• Processamento isométrico diferencial e verificação de simulação de projeto de PCB de alta velocidade
• Como projetar planos de imagem para PCBs de alta velocidade
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