2023年10月8日 星期日

Guard Traces有效,但Via不能只有兩個

Guard Trace是一種用以防止兩條訊號線干擾(Cross Talk)的設計,簡單來說如下圖,在兩條訊號線之間增加一個接地線。


 

 

 

 

某些資料說在Guard Trace頭尾接地即可產生防止Cross Talk的效果,實際上不一定有效。

參考資料[1]與[2]是美國知名RF工程師Eric Bogatin做的研究,實際測量結果指出若是Microstrip,則Guard Trace效果不佳。

 

根據參考來源[3]與[4],在Guard Trace上加上多個Ground Via,才能有效降低Cross Talk。

如下圖為來源[3]的設計。




 

 

 



參考資料

[1] Guard Traces: Love Them or Leave Them?

[2] Dramatic Noise Reduction using Guard Traces with Optimized Shorting Vias

[3] Guard Traces

[4] To Pour or Not To Pour | Copper Pour in PCB Design

Does Using Guard Traces Really Reduce Crosstalk?

Guard Traces & Crosstalk | A Follow-up

 

2023年10月1日 星期日

實際上可能無效的20-H rule

先提醒您,點擊圖片可放大

 

20-H rule以一個常見的經驗法則。假設電源層與地層(Ground Layer)之間的距離為H,則電源層內縮至少20H可減少輻射,如下圖所示。[1]


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

然而,已經有論文研究證明20-H rule沒有效果。

參考資料[2]的論文使用3層板做實驗,上層與下層是Ground,中心層是電源。下圖是實驗結果,虛線代表有使用20-H rule的PCB輻射,實線代表沒有用20-H rule的PCB輻射。

由下圖可知輻射量幾乎一樣,20-H rule無法減少輻射。



 

 

 

 

除此之外,根據參考資料[3]的實驗,有時使用20-H rule的PCB電場反而更強。如下圖所示。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在目前工作上,我與我的同事皆沒有遵守20-H rule(他們甚至沒聽過這種規定,即使較資深的也是如此),但我們的產品並未因此出問題。我也看過晶片大廠的HDK(公版),他們的設計也沒有遵守20-H rule。

所以我個人認為這種過時的經驗法則可以淘汰掉了。


若20-H rule無效,那什麼樣的設計才是有效的?

根據參考資料[2],在PCB邊緣增加多個Ground Via可降低輻射,實驗結果如下圖,Ground Via越多越好。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

這種設計常被稱為Stitching Via,如下圖


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖片來源:https://www.signalintegrityjournal.com/articles/292-controlling-electromagnetic-emissions-from-pcb-edges-in-backplanes

 

除此之外,參考資料[4]指出除了用Stitching Via,再用金屬完全包覆PCB的側邊效果會更好(如下圖),但明顯增加不少成本,所以我從未見過有人這樣設計。


 

 

 

 

 

 

 

參考資料

[1]:Hi3516A开发--PCB设计之3W规则和20H原则

[2]:“Effects of 20-H Rule and Shielding Vias on Electromagnetic Radiation From Printed Circuit Boards,” Huabo Chen, Student Member, IEEE, and Jiayuan Fang, Senior Member, IEEE Dept. of

[3]:20-H Rule Modeling and Measurements

[4]:Electromagnetic Radiation on PCB edges: 20H Rule and Via Stitching

High-Speed PCB Design: Just How Fast Is Fast?

The Great PCB Layout "Rules of Thumb" Debate Rages On

“20H Rule”: An Overview

四层PCB板中20 H规则的辐射分析

RF Singal Via旁邊加上Ground Via

RF的高頻訊號走線由於必須維持其特性阻抗( 通常是50 Ohm),所以最好不要讓RF走線換層。但受限於PCB的設計,有時不得不用Via來切換RF走線層

如果需要用RF Singal Via切換走線層,則必須要在RF Singal Via旁邊加幾個Ground Via,如下圖。


 

 

 

 

 

 

 

 

圖片來源:https://www.edn.com/designing-controlled-impedance-vias/

上圖為四層板,紅色的是RF signal trace,位於Top與Bottom中間兩層藍色的是Ground Layer。

當RF訊號由Top經過Via向Bottom傳輸時,其參考層( Reference layer)也由layer 2改為layer 3,所以要在RF Singal Via旁邊加幾個Ground Via,才能讓reture path也跟著換層。

如下圖所示,增加Ground Via之後,return path(黃線)即可成功換層。



 







 

圖片來源:https://electronics.stackexchange.com/questions/64854/ground-vias-on-high-speed-pcbs

 

參考資料

Designing controlled-impedance vias

高速信号添加回流地过孔到底有没有用

PCB 設計同步分析 6 大隱藏技巧六: 完美你的高速訊號回流路徑

Ground vias on high speed PCBs

Via_Effect