Estrategia de enrutamiento: pantalla RGB de 24 bits en una PCB de 4 capas

Estoy enrutando rastros entre un microcontrolador y una pantalla TFT (RGB de 24 bits, frecuencia de reloj a 18 MHz). La acumulación es:

  • L1 - Señal
  • L2 - GND (capa sólida)
  • L3 - PWR (3.3V sólido en la región de interés)
  • L4 - Señal

Los componentes solo están en la parte superior para reducir el costo de fabricación (también explica la elección de un apilamiento de 4 capas).

Diseñé una primera versión de esta placa que funcionó bien y permitió desarrollar y probar todo el software. Ahora, actualmente estoy diseñando una nueva versión de placa con algunas limitaciones mecánicas. Algunas señales eran un poco ruidosas pero la pantalla funcionaba bien. Me gustaría mejorar un poco el enrutamiento.

Veo dos estrategias diferentes para enrutar las señales entre la MCU y la pantalla. Supongo que es comprensible que no pueda enrutar solo en la capa superior aunque sería ideal... Las capturas de pantalla a continuación son solo los primeros borradores y no el diseño para la producción.

  • Opción 1: esa es la opción que usé en las primeras placas, las vías están tanto del lado de la MCU como del lado del conector (justo antes de la red de resistencias de 0 ohm)

Opción 1

  • Opción 2: las vías se concentran alrededor de la MCU. El objetivo era que la ruta de la corriente de retorno pasara por los condensadores de desacoplamiento de la MCU para saltar del plano de 3,3 V al plano de tierra.

opcion 2

Preguntas:

  1. ¿Alguna de estas opciones es mejor desde el punto de vista de la integridad de la señal/EMC?
  2. La opción 2 me hace querer tener un área de tierra dentro del plano de potencia (L3) y vías entre L2 (plano de tierra) y L3 (área de tierra dentro del plano de potencia), para que la ruta de corriente de retorno pueda saltar libremente de L3 a L2 y el otro al revés (vea la imagen a continuación) ¿Es algo que tendría sentido? Nunca había visto una opción de diseño de este tipo en otros diseños de PCB, pero tampoco vi personas enrutando pantallas TFT en PCB L4.
  3. ¿Hay una mejor manera de resolverlo?

Opción 2 con suelo en L3

EDICIÓN 1: aunque la pregunta no se trata de la coincidencia de longitud, doy los números aquí para justificar por qué no hice ningún ajuste de longitud.

Frecuencia de reloj < 18 MHz <=> Período > 55 ns

Para una velocidad de señal en PCB es de 15 cm/ns y un sesgo permisible de un cuarto del período, da 2 metros. Creo que la falta de coincidencia de 3 cm en los ejemplos anteriores no es importante.

EDICIÓN 2: Medición rápida de una línea de datos (púrpura) y una línea de reloj (amarilla) en la placa actual con una pantalla conectada y funcionando (no es una medición adecuada del 10/90%). Realmente no confío en estos números porque es un osciloscopio de 100 MHz con una sonda de 100 MHz (sonda de 20 pF). Sin embargo, parece cumplir con la configuración de 12 ns y el tiempo de espera solicitado para la pantalla. La fuerza de la unidad en la MCU está en la configuración más baja (divide el tiempo de subida por dos en la configuración más alta, pero introduce algo de zumbido tanto como puede ver el osciloscopio).

alcance_borde ascendente

Esta figura es de la primera revisión del tablero con un diseño cercano a la opción 1 pero con longitudes de señal 3 cm más cortas y un desajuste entre líneas de 3 cm. Captura de pantalla a continuación.

primera revisión

EDICIÓN 3: CONCLUSIÓN (pruebas de EMC para la marca CE)

Desde mi última edición, fabricamos la placa. Fuimos por la forma más sencilla posible. No hicimos coincidir la longitud de las señales, no usamos PCB de impedancia controlada, teníamos un plano de tierra sólido en L2, un plano sólido de 3.3 V en L3. Enrutamos según la opción 2 con las vías cerca de la MCU. Se agregaron puntos de prueba en la parte inferior de la PCB para cada línea (para probar con una cama de clavos).

El tablero era funcional. Tuvimos la oportunidad de pasar por las pruebas de EMC para la marca CE (para productos para el hogar). La placa pasó las pruebas de inmunidad radiativa (criterio A ya que todo funcionaba) y las pruebas de emisión radiativa (30 MHz a 400 MHz). Algunos armónicos del oscilador de 25 MHz (utilizado para la MCU) eran realmente visibles (a partir de 425 MHz, 450 MHz, 475 MHz, etc.) y no muy lejos de los límites de la marca CE. Después de algunas pruebas, el problema parecía desaparecer sin que la pantalla estuviera conectada a la placa. Terminamos reemplazando las resistencias de O ohm en las líneas de reloj y RGB por algunas perlas de ferrita. Eso nos dio un margen adicional de 5 dBV/m en el peor pico.

Normas utilizadas para el marcado CE:

  • para pruebas de emisión radiativa: EN 61000-6-3
  • para pruebas de inmunidad radiativa: EN 61000-4-3

No puedo decir que la placa se haya enrutado de la mejor manera posible, pero parece ser suficiente para nuestros requisitos. Espero que este resultado sea útil para otras personas.

También debe hacer coincidir la longitud de las trazas de la señal, por lo que es más complicado que eso.
En realidad, la frecuencia del reloj es <18 MHz, entonces creo que la coincidencia de longitud no es crítica. El período del reloj es > 55 ns. Para un sesgo de la mitad del período (27,5 ns), daría lugar a una longitud de 3,8 metros (15 cm/ns en PCB).
Dejando a un lado el diseño, esos componentes SMD al lado del conector parecen resistencias en serie. ¿Sin tapas de desacoplamiento? Un montón de pequeños probablemente marcarían una gran diferencia para EMC, a expensas del espacio y la lista de materiales.
@Lundin Sí, correcto, son resistencias de 0 ohmios 0402 por ahora. Se supone que deben estar allí por si acaso... Como aquí "La disminución de emisión que resulta de la señal RGB se obtuvo sumando en serie la resistencia en cada línea de reloj y RGB". ( unisystem-displays.com/en/news/emc-test.html ). ¿Quiere decir usar límites de desacoplamiento en líneas de datos/reloj/sincronización? ¿Tienes algunas referencias sobre esta técnica? Gracias
@Marmoz La frecuencia del reloj es irrelevante en este caso. Debe tener en cuenta la velocidad de respuesta (tiempo de subida) de la señal. Esta es la velocidad de restricción y la frecuencia de preocupación es 1/tiempo de subida.
Sí, principalmente en líneas de datos/reloj. Básicamente, un filtro RC pequeño pero con valores lo suficientemente bajos como para que no afecte los datos. De hecho, la velocidad de giro es lo que importa y las pantallas pueden ser un poco exigentes allí.
@DerStrom8 ¿Puedes dar un poco más de detalles?
El tiempo de subida de la señal es crucial para proporcionar una señal limpia que los receptores puedan reconocer como una transición de nivel. Si su diseño ralentiza estas transiciones, los receptores no podrán reconocer la transición y no podrán leer algunos datos. Por lo tanto, debe diseñar su diseño para minimizar su efecto sobre los tiempos de subida y bajada de las señales. Por esta razón, la velocidad del reloj es irrelevante. Debe colocar sus trazas, componentes, vertidos, etc. de modo que no afecten las frecuencias asociadas con la velocidad de respuesta de las líneas de reloj/datos.

Respuestas (1)

¿Alguna de estas opciones es mejor desde el punto de vista de la integridad de la señal/EMC?

Asumiendo que sus señales RGB están en algún lugar entre la lógica de 1.8V y 3.3V y dado el hecho de que hay señales de un solo extremo, serán propensas a la emisión. Si esto está realmente en su lista de preocupaciones, recomendaría un par de opciones que he usado en mis experiencias pasadas:

  • Use la capa 2 o 3 para enrutar sus señales, cambiando localmente el plano de tierra o el plano de alimentación a las capas exteriores: esto es probablemente más trabajo del que ya ha hecho, pero al grabar las pistas dentro de la PCB, puede protegerlas efectivamente de mundo exterior si se implementa correctamente. En mi opinión, esta es la técnica más eficaz, pero podría ser difícil de implementar (p. ej., prestar mucha atención al retorno por tierra).
  • Agregue un filtro RC a la salida de la MCU (puede ser un puente de 0 ohmios y condensadores descargados para empezar): este filtro le permitiría redondear los bordes afilados de sus señales, reduciendo drásticamente la energía en los armónicos del señal. Sin embargo, tenga cuidado con este método, está degradando efectivamente la calidad de la señal y podría terminar con pantallas que no funcionan correctamente. Asegúrese de que la señal permanezca en las especificaciones eléctricas RGB recomendadas. Tenga en cuenta que podría usar una perla de ferrita para reemplazar el elemento de resistencia, a veces puede ayudar a reducir la emisión a alta frecuencia de manera más efectiva.

Tenga en cuenta que si tiene un recinto perfectamente protegido, NO piense demasiado en esto, ya que puede estar bien confiando en esa jaula de Faraday.

La opción 2 me hace querer tener un área de tierra dentro del plano de potencia (L3) y vías entre L2 (plano de tierra) y L3 (área de tierra dentro del plano de potencia), para que la ruta de corriente de retorno pueda saltar libremente de L3 a L2 y el otro al revés (vea la imagen a continuación) ¿Es algo que tendría sentido? Nunca había visto una opción de diseño de este tipo en otros diseños de PCB, pero tampoco vi personas enrutando pantallas TFT en PCB L4.

Tiene mucho sentido, yo haría lo mismo y despejaría el plano de potencia para dejar que la tierra fluya en su lugar. Asegúrese de usar un montón de vías para unirlas y es posible que también desee vincular la MCU a ese plano de tierra.

¿Hay una mejor manera de resolverlo?

En términos de implementación funcional, diría que está en el punto aquí. Solo para estar seguro, ¿ha dimensionado el ancho de la traza para que su impedancia sea de 50 ohmios (o cualquiera que sea la impedancia objetivo de las señales RGB)?

Me gustaría mencionar que la frecuencia del reloj no es lo que debería preocuparte por la parte de coincidencia de longitud. Debe considerar los bordes ascendentes y descendentes de sus señales y verificar si sus trazas pueden considerarse líneas de transmisión agrupadas, para eso recomendaría la regla general de Howard Johnson y usar esta calculadora (o hacer la suya propia): http: // totalmentechargd.blogspot.com/2017/02/transmission-line-rules-of-thumb.html

En esta aplicación, estimaría que el tiempo de subida es de 2,5 ns y el dieléctrico efectivo es de 3,2 (para stripline). Un desajuste de 65-70 mm o menos estaría bien.

Una cosa más que puede considerar es agregar protecciones ESD cerca del conector de la pantalla, en caso de que le preocupe dañar la MCU durante el ensamblaje o el cambio de pantalla. Sé que son muchos diodos y podría ser excesivo si su línea de ensamblaje cumple con los estándares, sin embargo, sopese el dolor, el dinero y el desperdicio de energía para reemplazar la MCU :)

¡Gracias por tu extensa respuesta! Sí, las señales son de 3,3 V de un solo extremo. Algunas preguntas 1/ ¿Podría explicar un poco más cómo concluir que el desajuste de longitud debe ser inferior a 65-70 mm? Pensé que esta regla general era considerar la vía como una línea de transmisión. Por debajo del umbral, se considera como un condensador ideal y una línea de transmisión por encima. 2/ ¿Aconseja la opción 2 sobre la opción 1? 3/ En este caso, solo hay un recinto sin blindaje alrededor del tablero.
1/ Lo siento, no estaba muy claro. Estoy investigando el retraso de propagación, que es la distancia que ha viajado la señal, para "cuantificar" la falta de coincidencia de fase entre las señales RGB. Si la traza se puede considerar un circuito agrupado, no hay que preocuparse tanto por la integridad de la señal y, por lo tanto, por la coincidencia de longitud. Para un circuito distribuido, cualquier efecto secundario (como reflexión, timbre, etc.) entrará en juego. 2/ Preferiría la opción 2 bis, con el plano de tierra L3. 3/ Ay, recomendaría visitar las primeras opciones que mencioné. Una cosa más, ¿tiene acceso al control de potencia de conducción en su MCU?
1/ La impedancia de línea tampoco debería importar si la longitud total está por debajo de la longitud crítica, ¿no? El control de fuerza de conducción ya está configurado en la configuración mínima en la MCU (y la pantalla funciona bien).
Sí, la impedancia de línea no sería crítica en su caso, pero siempre es una buena práctica configurarla correctamente y acostumbrarse a configurarla correctamente para cada nuevo diseño. Dado que puede controlar la fuerza de conducción, es posible que no necesite el filtro RC que mencioné. ¿Has mirado en la forma de la señal? ¿Cumple con los requisitos RGB? ¿Tiene suficiente margen (p. ej., podría funcionar para esta combinación de tablero y pantalla, pero podría no funcionar con una configuración diferente)?
¡DE ACUERDO! Acabo de agregar en la publicación original una medición de las señales. Cumple con los requisitos (frecuencia, configuración y tiempo de espera...). No sé cuánto confiar en ellos ya que el alcance es probablemente muy limitado. Sin embargo, la capacitancia adicional del osciloscopio no parece hacer que las señales se salgan de los requisitos...
La señal, el tiempo de espera y el tiempo de configuración se ven geniales, por lo que para un primer pase, es prometedor. ¿Qué estrategia de enrutamiento usó en su primer tablero? ¿Ha probado esta placa para EMC antes?
Agregué una captura de pantalla de la primera revisión de la placa, en realidad estaba cerca de la opción 1... Ojalá hubiera podido probar esta placa para EMC, pero no estaba planeado en esta revisión. Ojalá hubiera alguna forma barata de probarlo.
En su primera revisión de la placa, ¿L3 estaba conectado a tierra donde están las señales RGB? Desafortunadamente, no hay otra forma de probar la EMC que en una cámara de EMC. Sin embargo, puede encontrar los armónicos de sus señales usando un analizador de espectro y una sonda de campo cercano y cambiar la fuerza de la unidad para ver el impacto en esos, ¡todavía no es un equipo barato para comprar o alquilar!
No hay conexión a tierra L3 allí, solo conexión a tierra en L2 y +3V3 en L3. Supongo que mi principal preocupación es que los 3 cm adicionales en las líneas de señal, pero las vías están demasiado lejos de las tapas de desacoplamiento de la MCU, lo que alargaría bastante la ruta de la corriente de retorno. Sobre las pruebas, suena muy interesante y muy divertido. Terminé en este enlace después de nuestra discusión sobre interferenciatechnology.com/… Parece sugerir pruebas similares a su comentario :)
Acerca de ESD, ¿protege solo los pines que van a la MCU o también los pines que van a algunos reguladores de potencia? Gracias :)
Así es, siempre que +3V3 en L3 y GND en L2 estén bien acoplados capacitivamente, puede omitir el plano de tierra en L3. Podría ser "divertido" jugar con la emisión, pero la solución de problemas es algo implacable en su circuito ya construido y en un proceso frustrante, así que mejor infórmese antes de enviar la PCB a la fábrica. Puede hacer su propio tipo de configuración de EMC, sin embargo, con todo ese ruido ambiental, a veces es difícil saber qué es qué, he usado una pequeña jaula de faraday/EMC en el pasado, algo así: micronix-jp.com/ espanol/productos/shield-box/…
Para matar a ESD, tiene 2 opciones: agregar capacitancia o protección adecuada. En la salida de un regulador, tiene mucha capacitancia para que no lo afecte. Las salidas de MCU generalmente no tienen mucha protección (puede consultar la hoja de datos para conocer el nivel de protección). Es posible encontrar dispositivos de protección ESD multicanal que quepan en un paquete pequeño y fáciles de enrutar, como este potencialmente: digikey.com/product-detail/en/on-semiconductor/MG2040MUTAG/…
solo para dar una actualización después de esta discusión que tuvimos, edité la publicación original con el resultado de las pruebas de EMC de los últimos días :) Gracias
@Marmoz ¡Vaya, genial, gracias por la actualización! ¿Tuviste la oportunidad de capturar formas de onda con las perlas de ferrita puestas para ver cómo se ven?
Estrategia de enrutamiento: pantalla RGB de 24 bits en una PCB de 4 capas
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