El mercado electrónico actual requiere la integración de múltiples funciones de alta velocidad en placas de circuito impreso miniaturizadas (PCBS) en una sola placa, lo que lleva a los diseñadores a colocar el cableado muy cerca uno del otro para optimizar el embalaje y el espacio. Esta proximidad puede provocar un acoplamiento inesperado de campos electromagnéticos, un fenómeno conocido como Crosstalk (ver Figura 1).

Figura 1: Representación gráfica de líneas adyacentes en una PCB con posibles problemas de diafonía.

Aunque el embalaje de alta densidad es inevitable, no se deben violar ciertas reglas de diseño de PCB relacionadas con el cableado en la PCB para evitar posibles problemas de diafonía e interferencia/compatibilidad electromagnética (EMI/EMC).

(En las siguientes secciones, la frase "red crítica" se refiere a aquellas líneas de reloj/datos de alta velocidad, líneas de sensores importantes, etc., en una PCB, dependiendo de la aplicación de la PCB).

Regla 1: Redes clave cerca de redes de E/S

Es importante observar el cableado de la red crítica asociada con las líneas de E/S, porque el ruido puede acoplarse fácilmente a la placa a través de estas líneas de E/S que entran y salen de la PCB (ver Figura 2) o transportarse a otros tableros.

Figura 2: Diagrama esquemático de un escenario en el que la red crítica y la red de E/S están conectadas una cerca de la otra.

Cualquier ruido que ingrese a la placa a través de la línea de E/S tiene el potencial de acoplarse a la red crítica que transporta señales importantes de datos/reloj, lo cual es básicamente un problema de inmunidad de la PCB (Figura 3A). De manera similar, cualquier señal de alta velocidad transportada por la red crítica puede acoplarse a la red de E/S y eventualmente transmitirse al mundo exterior y a otros módulos del sistema a través de líneas de E/S fuera de la placa. En principio, esto sería un problema de radiación para la PCB (Figura 3B).

Figuras 3A (izquierda) y 3B: Posibles problemas de EMI/EMC causados ​​por la proximidad de redes críticas y de E/S

Regla 2: Longitud de traza crítica expuesta

En PCBS de alta velocidad y longitud de onda corta (& GT; 100 MHz), la longitud eléctrica de cualquier red crítica (ver figura 4a) es suficiente para convertirla en una fuente eficaz de radiación, especialmente cuando se expone a las capas superiores o inferiores. Esta radiación no deseada se puede acoplar a cualquier cable adyacente, incluso a un cable en un dispositivo cercano al cable. Recomendamos enterrar la red crítica entre los planos sólidos de la capa interna de la PCB, como se muestra en la Figura 4b. Esto ayuda a sellar el campo de la línea y evitar cualquier acoplamiento involuntario en forma de diafonía o EMI. Si estas redes críticas tienen que quedar expuestas en la capa exterior, la longitud de la parte expuesta debe ser lo más pequeña posible. Esto se debe a que cuanto más corta sea la longitud de los cables expuestos, menos radiación emiten, porque si fueran eléctricamente pequeños, serían antenas ineficientes.

Higos. 4A (izquierda) y B: Diagramas de redes críticas expuestas o cerradas entre planos

Regla 3: coincidencia de redes de diferencias críticas

En teoría, los pares diferenciales transmiten señales de igual tamaño pero de polaridad opuesta, porque la EMI producida por ellos se cancela entre sí o es insignificante. Sin embargo, esto sólo funciona si las líneas del par tienen la misma longitud y están lo más cerca una de la otra simétricamente posible. La violación de cualquiera de estos puede causar ruido de modo común y problemas de EMI. Esto es motivo de gran preocupación, especialmente para redes diferenciales que transportan señales críticas de alta frecuencia, porque la EMI aumenta la frecuencia de las señales transportadas. La Figura 5 muestra varios ejemplos de cableado correcto/incorrecto de pares de diferencia críticos entre el paquete de CI y los puntos de salida (conectores) en la placa de circuito.

Figura 5: Ruta actual de retorno con división en el plano de referencia

Coincidencia de redes de diferencia crítica: simulación y relación con los requisitos de prueba reales

En el ejemplo de PCB de las Figuras 6A y 6b, tenemos un caso simple en el que los pares diferenciales están cableados en la PCB de dos maneras diferentes: simétrica y asimétrica. En ambos casos, en SIwave, son excitados en un extremo por una fuente de voltaje diferencial y conectados en el otro extremo por una carga.

Figuras 6A (izquierda) y B: Ejemplos de pares diferenciales para cableado en una PCB

Realizamos análisis de campo cercano en ambos casos. En PCBS con cableado simétrico de par diferencial, el nivel de campo cercano es menor que en su cableado asimétrico, como se muestra en las Figs. 7A y 7b.

Higos. 7a (izquierda) y B: campo cercano a 597.45 MHz con redes de pares de diferencias simétricas y asimétricas

Supongamos que queremos probar la PCB de acuerdo con los requisitos de emisiones radiantes de las regulaciones EMI/EMC AIS 004 (en India) o UNECE R10 (en Europa). La Figura 8 muestra un análisis comparativo del campo lejano simulado a una distancia de 1 m de la PCB en el rango de frecuencia de 30 MHz - 1 GHz. Obsérvese que el caso de pares de diferencias asimétricos aumenta el nivel de emisión entre 8 y 10 dB aproximadamente y también da lugar a un incumplimiento de 563.50 MHz y frecuencias superiores.

Figura 8: Comparación de radiación a 1 m

La simulación de SIwave a nivel de PCB permite la identificación temprana de dichos problemas de EMI, lo que puede ayudar a optimizar los PCB antes de que se diseñen para pruebas físicas e incluso simulaciones de nivel superior.

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