O mercado eletrônico atual exige a integração de múltiplas funções de alta velocidade em placas de circuito impresso miniaturizadas (PCBS) em uma única placa, levando os projetistas a colocar a fiação muito próxima para otimizar o empacotamento e o espaço. Esta proximidade pode levar a um acoplamento inesperado de campos eletromagnéticos, um fenômeno conhecido como Crosstalk (ver Figura 1).

Figura 1: Representação gráfica de linhas adjacentes em uma PCB com possíveis problemas de crosstalk.

Embora o empacotamento de alta densidade seja inevitável, certas regras de design de PCB relacionadas à fiação na PCB não devem ser violadas para evitar possíveis problemas de diafonia e interferência/compatibilidade eletromagnética (EMI/EMC).

(Nas seções a seguir, a frase "rede crítica" refere-se às linhas de relógio/dados de alta velocidade, linhas de sensores importantes, etc., em uma PCB, dependendo da aplicação da PCB.)

Regra 1: Principais redes próximas às redes de E/S

É importante observar a fiação da rede crítica associada às linhas de E/S, porque o ruído pode ser facilmente acoplado à placa através dessas linhas de E/S que entram e saem da PCB (veja a Figura 2) ou transportados para outras placas.

Figura 2: Diagrama esquemático de um cenário onde a rede crítica e a rede de E/S estão conectadas próximas uma da outra.

Qualquer ruído que entre na placa através da linha de E/S tem o potencial de ser acoplado à rede crítica que transporta sinais importantes de dados/relógio, o que é basicamente um problema de imunidade da PCB (Figura 3A). De maneira semelhante, quaisquer sinais de alta velocidade transportados pela rede crítica podem ser acoplados à rede de E/S e eventualmente transmitidos para o mundo exterior e para outros módulos do sistema através de linhas de E/S fora da placa. Em princípio, isto seria um problema de radiação para o PCB (Figura 3B).

Figuras 3A (esquerda) e 3B: Potenciais problemas de EMI/EMC causados ​​pela proximidade de redes críticas e de E/S

Regra 2: Comprimento de traço crítico exposto

Em PCBS de alta velocidade de comprimento de onda curto (& GT; 100MHz), o comprimento elétrico de qualquer rede crítica (ver figura 4a) é suficiente para torná-la uma fonte eficaz de radiação, especialmente quando exposta às camadas superiores ou inferiores. Esta radiação indesejada pode ser acoplada a qualquer cabo adjacente, até mesmo a um cabo num dispositivo próximo ao cabo. Recomendamos enterrar a rede crítica entre os planos sólidos da camada interna do PCB, conforme mostrado na Figura 4b. Isso ajuda a isolar o campo da linha e evita qualquer acoplamento não intencional na forma de diafonia ou EMI. Se estas redes críticas tiverem que ser expostas na camada externa, o comprimento da porção exposta deverá ser o menor possível. Isso porque quanto menor o comprimento dos fios expostos, menos radiação eles emitem, pois se fossem eletricamente pequenos seriam antenas ineficientes.

Figos. 4A (esquerda) e B: Diagramas de redes críticas expostas ou fechadas entre planos

Regra 3: Correspondência de rede com diferenças críticas

Em teoria, os pares diferenciais transmitem sinais de tamanho igual, mas de polaridade oposta, porque o EMI produzido por eles se cancela ou é insignificante. No entanto, isso só funciona se as linhas do par tiverem o mesmo comprimento e estiverem tão próximas umas das outras quanto simetricamente possível. A violação de qualquer um deles pode causar ruído de modo comum e problemas de EMI. Isto é muito preocupante, especialmente para redes diferenciais que transportam sinais críticos de alta frequência, porque a EMI aumenta a frequência dos sinais transportados. A Figura 5 mostra vários exemplos de fiação da maneira correta/incorreta de pares de diferenças críticas entre o pacote IC e os pontos de saída (conectores) na placa de circuito.

Figura 5: Caminho atual de retorno com divisão no plano de referência

Correspondência de rede com diferenças críticas: simulação e relação com requisitos de teste reais

No exemplo da PCB das Figuras 6A e 6b, temos um caso simples onde pares diferenciais são conectados na PCB de duas maneiras diferentes: simétrica e assimétrica. Em ambos os casos, no SIwave, eles são excitados em uma extremidade por uma fonte de tensão diferencial e conectados na outra extremidade por uma carga.

Figuras 6A (esquerda) e B: Exemplos de pares diferenciais para fiação em uma PCB

Executamos análises de campo próximo em ambos os casos. Em PCBS com fiação simétrica de pares diferenciais, o nível de campo próximo é menor do que em sua fiação assimétrica, conforme mostrado nas Figs. 7A e 7b.

Figos. 7a (esquerda) e B: Campo próximo a 597.45 MHz com redes de pares de diferenças simétricas e assimétricas

Suponha que queiramos testar o PCB de acordo com os requisitos de emissão radiante dos regulamentos EMI/EMC AIS 004 (na Índia) ou UNECE R10 (na Europa). A Figura 8 mostra uma análise comparativa do campo distante simulado a uma distância de 1 m da PCB na faixa de frequência de 30 MHz a 1 GHz. Observe que o caso de pares de diferenças assimétricos aumenta o nível de emissão em cerca de 8 a 10 dB e também resulta na não conformidade com 563.50 MHz e frequências superiores.

Figura 8: Comparação de radiação de 1 m

A simulação do SIwave no nível de PCB permite a identificação precoce de tais problemas de EMI, o que pode ajudar a otimizar os PCBS antes que sejam projetados para testes físicos e até mesmo simulações de nível mais alto.

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