En lo que respecta a los sistemas electrónicos de alta velocidad, el éxito del diseño de la placa de circuito impreso conduce directamente a una alta capacidad de resolución de problemas en el sistema de Compatibilidad Electromagnética (EMC) tanto en la teoría como en la práctica. Con el fin de cumplir con la norma EMC,diseño de PCB de alta velocidadse enfrenta a grandes desafíos, por lo que los diseñadores de PCB de alta velocidad deben abandonar la filosofía y los enfoques de diseño tradicionales en su proceso de diseño. Este pasaje analiza principalmente los malentendidos y las estrategias en el proceso de diseño de PCB de alta velocidad desde la perspectiva de la práctica.
Constante dieléctrica del material de PCB de alta velocidad
Hasta ahora, existen principalmente tres técnicas de diseño en términos de diseño de PCB de alta velocidad: la técnica de diseño de gráficos de PCB con ruido y retardo, la técnica de control de impedancia y tiempo de retardo de propagación, y la técnica de evaluación con la impedancia de la PCB como parámetro, entre las cuales los dos últimos tipos de técnicas son el núcleo deFabricación de PCB. También existen muchas técnicas sobre transmisiones de fabricación de PCB de alta velocidad y las estructuras básicas de uso común son la microtira y la línea de tira. En cuanto a las líneas de transmisión de PCB de alta velocidad, Z0ese es el parámetro de impedancia y tpdes decir, el tiempo de retardo de propagación es la variable más importante. En realidad, si la estructura de la microcinta es diferente de la de la línea strip, la fórmula de cálculo también será diferente. Sin embargo, en cualquier caso, la impedancia siempre depende de la estructura geométrica de la línea de transmisión. En la mayoría de las situaciones, la constante dieléctrica de parte del material de la PCB se ve influida por la frecuencia, la tasa de absorción de agua del área, la temperatura y las características eléctricas. Para las PCB de dos capas o multicapa, su constante dieléctrica está influida por la proporción de resina y sílice en el material de la PCB.
Hoy en día, el más comúnmente utilizadoMaterial de PCBes FR4. Por lo general, los proveedores de materiales para PCB indican los valores de la constante dieléctrica en función de los cuales los técnicos de proyecto utilizarán el material. En las aplicaciones prácticas, los valores de los parámetros se obtienen normalmente en la situación de 1 MHz, mientras que, en condiciones de alta velocidad, la constante dieléctrica presenta cambios evidentes, como se muestra en la Figura 1.
Las tres curvas de la Figura 1 se refieren a las diferentes proporciones de silicio y resina. Entre las tres curvas, la curva A es la más alta, la B es intermedia y la C la más baja. Si los operadores no logran notar la diferencia, pueden producirse grandes desviaciones entre los cálculos o los resultados de simulación y las situaciones prácticas en cuanto a la impedancia y el tiempo de retardo de propagación, lo que afectará el diseño de la integridad de la señal en sistemas de alta velocidad.
Problema de esquina de 90°
En la mayoría de los documentos se debe evitar el uso de esquinas de 90° en el ruteo de PCB porque posiblemente provocarán discontinuidades de impedancia yInterferencia electromagnéticaradiación (EMI). Desde la perspectiva teórica, el cambio de ancho en una esquina de 90° es comparativamente grande, lo que da lugar a una gran impedancia y a una seria discontinuidad de impedancia. Desde la perspectiva práctica, la potencia electromagnética tiende a concentrarse en la esquina del enrutamiento y, cuanto más aguda es la esquina, más potencia se concentra. Basado en el análisis anterior, la radiación EMI se vuelve más prominente en la esquina de 90°.
Pero algunos investigadores han descubierto que la influencia de una esquina de 90° sobre la impedancia está dentro del 10%. Para un ancho de ruteo de 6 mil, si se convierte en una longitud clave, entonces estará en el rango de los THz. Por lo tanto, se puede estimar que una esquina de 90° definitivamente conducirá a una discontinuidad de impedancia en situaciones prácticas.
Por lo tanto, en la prácticaEnrutamiento de PCBal menos dentro del rango de GHz, no es necesario evitar una esquina de 90° a cualquier costo.
Principios de las 20 H
Desde la aparición de los principios 20-H por KNG, estos han sido aceptados como el principio principal para el diseño de PCB de alta velocidad. Incluso algunos investigadores señalan que este principio es capaz de ayudar a que la densidad electromagnética ambiental en las capas correspondientes de la PCB disminuya aproximadamente un 70%. Además, también desempeña un papel eficaz en la reducción de la radiación EMI hacia el exterior. Sin embargo, muchos experimentos no respaldan las expectativas de los investigadores.
Algunos experimentos indican que, para PCB de dos capas, el principio 20-H conduce a una radiación más grave, mientras que para PCB multicapa, la utilización del principio 20-H en la capa interna intermedia no produce una mejora evidente.
Parámetros de Capacitancia de Filtrado
La capacitancia de filtrado es una medida probada, eficaz y económica utilizada para resolver problemas de EMC en el sistema electrónico. Sin embargo, los sistemas electrónicos de alta velocidad plantean nuevos requisitos para el rendimiento y el diseño aplicable de la capacitancia de filtrado. El módulo simplificado de la capacitancia de filtrado se muestra en la Figura 2.
Debe cumplir con el siguiente requisito: ZC< ZS// ZL(ZC=1/2πfC). Una idea errónea común indica que mientras ZCes menor que ZL, se puede lograr el propósito de la capacitancia de filtrado. De hecho, los parámetros de la capacitancia de filtrado no pueden determinarse a menos que los valores de ZSy ZLse deciden.
Sin embargo, en circuitos de alta velocidad, ni ZSni ZLes pura resistencia, que necesita valores complejos. Mientras tanto, ZCno es una capacitancia pura en el circuito de alta velocidad y tanto la resistencia serie equivalente como la inductancia serie equivalente deben tenerse en cuenta. Todas estas son dificultades en la aplicación de la capacitancia de filtrado en el sistema electrónico de alta velocidad. Una vez que los diseñadores ignoran estos aspectos, se producirán diferencias evidentes entre los cálculos o los resultados de simulación y la práctica.
Empaquetado de silicio
Los diseñadores de PCB tienden a prestar la mayor atención al diseño de la PCB y a las interconexiones entre los componentes en las PCBs, e ignoran la importancia deempaquetado de componentesDe hecho, esto posiblemente producirá resultados graves en el diseño de PCB de alta velocidad. El encapsulado de silicio influye en el rendimiento del silicio a través de la inductancia parásita, la resistencia parásita y la capacitancia parásita que pasan por las líneas de conexión y los conductores. Estos parámetros generarán ruido, retardo de comunicación, velocidad de flanco y respuesta en frecuencia. Los parámetros parásitos de diferentes encapsulados pueden diferir mucho. Para el silicio con el mismo circuito y diferente encapsulado, sus rendimientos muestran características distintas.
De hecho, en los sistemas electrónicos de alta velocidad, el diseño de silicio, el diseño del encapsulado y el diseño a nivel de placa nunca son independientes entre sí. Para el flujo de diseño en silicio, se debe elegir un encapsulado adecuado de acuerdo con la PCB. La distribución general del diseño de silicio está influenciada tanto por las técnicas como por los elementos a nivel de placa. En cuanto al encapsulado de silicio, su compatibilidad con la PCB es un factor que debe considerarse. Aún más importante, un encapsulado adecuado es de gran ayuda en términos de la integridad a nivel de placa y de los problemas de EMC/EMI. Por lo tanto, el encapsulado de silicio nunca debe ser ignorado ni subestimado.
Interferencia de radiación por corriente en modo común
En los conductores de transmisión de señales de la PCB, existe una corriente en modo diferencial que transmite señales útiles y una corriente en modo común sin información útil, ambas generan radiación EMI.
Debido a su corriente relativamente alta, la corriente en modo diferencial ha sido destacada por los diseñadores de circuitos, junto con la formación de teorías y técnicas para controlar la radiación EMI de corriente en modo diferencial. Como resultado, algunas herramientas EDA cuentan con funciones de simulación y predicción de la radiación EMI de corriente en modo diferencial. Sin embargo, en comparación con la corriente en modo diferencial, la corriente en modo común es mucho menor, lo que fácilmente lleva a que los diseñadores pasen por alto la radiación EMI de la corriente en modo común.
Sin embargo, según investigaciones recientes, aunque la corriente en modo común es mucho menor que la corriente en modo diferencial, la interferencia de radiación EMI generada por la primera es mucho mayor que la generada por la segunda. Hasta ahora, la radiación EMI de corriente en modo común se ha convertido en una de las principales fuentes de interferencia de radiación en placas de circuitos avanzadas de alta velocidad. Aún peor, la generación de radiación EMI de corriente en modo común obedece a razones complejas y no se puede lograr ni su simulación ni su predicción. Además, la investigación sobre el control de la radiación EMI de corriente en modo común aún está en curso.
Por lo tanto, al diseñar PCB de alta velocidad, no es fiable simular y predecir la radiación EMI basándose únicamente en la radiación EMI de corriente en modo diferencial.
