PCB tutorial: lineeguida per i PCB con segnali USB High Speed

Sbroglio PCB con USB alta velocità

Questo tutorial sui PCB (Printed Circuit Board o Circuiti Stampati) fornisce le linee guida per integrare un controller USB Hi-Speed in una scheda madre a quattro strati di un desktop. Queste lineeguida sui PCB, aiutano a minimizzare i problemi relativi alla qualità del segnale e all’interferenza elettromagnetica (EMI). I quattro strati della scheda madre si riferiscono: il primo al segnale, il secondo all'alimentazione, il terzo alla massa e il quarto ancora il segnale. Con questo schema, la maggior parte delle piste vengono posizionate sul quarto strato, il più vicino a quello della massa, lasciando così lo spazio sul primo strato per componenti ad alta densità.

PCB USB Hi-Speed: linee generali per il posizionamento del il routing del circuito stampato

Vediamo quali sono i principali punti da seguire nello sboglio dei PCB con segnali High Speed:

1. Posizionare il controller host USB Hi-Speed e i componenti principali per primi sulla PCB unrouted.

2. Con le lunghezze minime di traccia, fare il routing del clock ad alta velocità e delle coppie differenziali USB Hi-Speed. Mantenere la massima distanza possibile tra clock ad alta velocità/segnali periodici alle coppie differenziali USB Hi-Speed e ogni connettore verso l’esterno della PCB, come i connettori I/O o quelli di alimentazione.

3. Fare il routing dei segnali Usb Hi-Speed utilizzando al minimo gli angoli ed i vias (fori passanti). Questo riduce le riflessioni dei segnali e le variazioni d’impedenza

4. Quando è necessario ruotare la pista di 90°, utilizzare due rotazioni da 45°, oppure un arco, invece di compiere una singola rotazione da 90°. Questo riduce le riflessioni sul segnale, minimizzando le discontinuità dell'impedenza.

5. Non eseguire il routing delle tracce USB sotto i quarzi, oscillatori, sintetizzatori di clock, dispositivi magnetici o IC che utilizzano e/o duplicano i clock.

6. Gli stub (piste che partono da una pista principale o da un via piuttosto che da una piazzola) sui segnali USB Hi-Speed dovrebbero essere evitati, perché causano la riflessione del segnale e ne condizionano la qualità. Se uno stub è inevitabile, non deve essere più lungo di 200 mils (5,08 mm).

7. Fare il routing di tutte le tracce lungo i piani continui (VCC o GND), senza interruzioni, evitando l’anti-etch (piste che attraversano due piani (plane split)), se possibile, in modo da non aumentare l'induttanza e i livelli di radiazione. Se necessario cambiare lo strato di posizionamento della traccia.

8. Separare le tracce di segnale in categorie simili e fare il routing.

9. Mantenere i segnali USB ad alta velocità liberi dal core logic set; durante i passaggi di stato interni vengono prodotti dei picchi di alta corrente, che possono essere molto difficile da filtrare.

10. Un suggerimento è quello di seguire la regola 20*h, cioè di tenere le tracce lontane dal bordo del piano (VCC o GND, dipende dal piano sul quale la traccia finisce) per una distanza pari a 20 volte l'altezza dal piano. L'altezza suggerita è di 0,11 mm, allora lo spazio richiesto dal bordo del piano è di 2,22mm. Questo serve ad evitare l'accoppiamento del segnale con i cavi adiacenti.

Spaziatura tra le tracce del PCB (isolamento)

Ecco le lineeguida da seguire, prendendo come riferimento la figura:

1. Mantenere il parallelismo tra i segnali differenziali USB con un isolamento delle tracce che deve raggiungere i 90 Ohm di impedenza differenziale

2. verificare con un calcolatore di impedenza, che la spaziatura e l'ampiezza delle tracce, utilizzate nello specifico stackup della PCB, abbiano un'impedenza differenziale di 90 Ohm.

3. Minimizzare la lunghezza del clock ad alta velocità e delle tracce di segnale periodico, che corrono parallele alle linee di segnale USB Hi-Speed, per rendere più basso possibile il crosstalk (disturbo tra due piste vicine). Basandosi sui test di interferenza elettromagnetica, la spaziatura minima consigliata per il clock dei segnali è di 1,27 mm.

4. Secondo i dati ottenuti dalla simulazione, utilizzare uno spazio di minimo di 0,508 mm tra le coppie di segnali USB ad alta velocità ed altre tracce di segnali, per ottenere una qualità ottimale del segnale. Questo serve anche a prevenire il crosstalk.

Terminazioni USB nei PCB

1. Se il controller host utilizza resistori di terminazione esterni, verificare che si trovino ad una distanza inferiore a 5 mm dai pin di output del controller host ad alta velocità

2. per le porte downstream, verificare che i resistori pull down da 15K Ohm si trovino tra i resistori di terminazione e i pin del connettore USB. È da notare che questo pull down potrebbe essere integrato nel silicio del controller host. In questo frangente bisogna fare riferimento al datasheet della casa di produzione

3. Una bobina CM (Common Mode) dovrebbe essere utilizzata per terminare il bus USB Hi Speed, se c'è bisogno di compiere il test EMI. Posizionare la bobina il più vicino possibile ai pin del connettore.

Corrispondenza delle lunghezze delle traccie della USB Hi-Speed

Le tracce delle coppie di segnale USB dovrebbero combaciare nelle lunghezze. La differenza massima tra le coppie di segnale USB Hi-Speed (come DM1 e DP1) non dovrebbe superare i 3,81 mm.

Lineeguida sulla lunghezza delle tracce Usb Hi-Speed

1. Verificare nel PCB che la lunghezza totale della traccia USB fino ai connettori del pannello posteriore sia inferiore o uguale a 45,7 cm

2. Verificare che la lunghezza totale della traccia e del cavo fino ai connettori del pannello frontale sia inferiore o uguale a 45,7 cm. Bisogna includere anche la lunghezza della traccia sulla scheda del pannello frontale, se presente.

Ecco la tabella

Scissioni del piano (plane split) e Cut-Out (anti-etch) nei PCB

1. Le tracce non dovrebbero attraversare un anti-etch (attraversamento di piani di alimentazione), perché così si incrementa il return-path per le relative tracce di segnale. Questo vale per per i segnali USB ad alta velocità, i clock ad alta velocità e le tracce di segnale.
2. Verificare che di nessuna traccia USB ad alta velocità venga eseguito il routing entro 0.635 mm di ogni separazione di piano (anti-etch).
3. Per i piani di massa (GND anti-etch) evitare assolutamente l’attraversamento delle piste nei piani di massa interrotti (plane split)

Posizionamento dei componenti sul PCB

1.Posizionate le parti ad alta potenza vicino la sorgente di potenza.
2.Tenere le piste di clock, i buffer di clock, quarzi ed oscillatori lontano dalle piste dell’USB, dal controller USB e dal connettore USB. Questo per evitare accoppiamenti di segnale.
3. Posizionare quarzi ed oscillatori ben adagiati sul PCB, più bassi possibile con un piano di massa collegato con molteplici vias (fori passanti).

Alcuni errori comuni di routing nei PCB

Stubs: un comune errore di routing è mostrato nella figura.

Gli stub non necessari sarebbero potuti essere evitati posizionando in modo idoneo i resistori di pull down, lungo il percorso della tracce dei dati. In caso in cui uno stub sia inevitabile, non deve essere più lungo di 5mm.

Tecniche di routing scadenti: la figura successiva mostra diverse violazioni a delle normali pratiche di routing per un controllo idoneo dell'impedenza e per la qualità del segnale di USB Hi-Speed. Vediamole:

- Attraversare un piano diviso: questo errore si verifica quando le linee di dati attraversano la divisone di un piano, causando un percorso di ritorno della corrente imprevedibile e quindi una perdita di qualità del segnale e problemi di interferenza elettromagnetica.

- Creare uno stub con un test point: questo è il caso in cui uno stub potrebbe essere evitato, visto che peggiora il segnale e può influenzare l'interferenza elettromagnetica.

- Insuccesso nel mantenere il parallelismo: la figura sopra è anche un classico esempio in cui il parallelismo non viene mantenuto, quando si sarebbe potuto. La traccia rossa, quella con X sopra, mostra il modo sbagliato di eseguire il routing verso i pin dei connettori. La versione corretta è quella rappresentata dalla traccia verde.

Se non si mantiene il parallelismo, si possono verificare discontinuità nell'impedenza, che si ripercuotono sulla qualità del segnale.

Interferenze EMI/ESD nei PCB: bobine d'arresto

L'utilizzo di bobine d'arresto può offrire l'attenuazione di rumore richiesta. Un progetto potrebbe includere il footprint di una bobina d'arresto, nel caso la bobina fosse necessaria per passare il test EMI.

La figura mostra lo schema di una tipica bobina d'arresto e i componenti di soppressione ESD (ESD PCB). Vedere il riferimento al paragrafo ESD).
La bobina dovrebbe essere sistemata il più vicino possibile ai pin di segnale del connettore USB.
Una bobina d'arresto distorce la qualità di un segnale. In particolare è dimostrata la distorsione del segnale verso la fine del pacchetto, anche se entro la specifica. Al crescere dell'impedenza della bobina, aumenterà anche la distorsione, per cui bisogna testare gli effetti di una bobina d'arresto sulla qualità di un segnale USB Full Speed e USB High Speed.

ESD: scariche elettrostatiche nei PCB

USB Low Sped e Full Speed offrono soppressione ESD utilizzando ferriti in linea e condensatori che formano un filtro passa basso. Questa tecnica non funziona per USB High Speed, a causa della velocità di segnale troppo elevata dei dati HS. La protezione ESD e la bobina d'arresto sono necessarie solo se il progetto non passa il test EMI o ESD. I footprint per le bobine d'arresto e/o i componenti di soppressione ESD dovrebbero essere inclusi, nel caso in cui si verifichi un problema (dovrebbero comunque essere seguite le lineeguida sul routing e sul posizionamento).

Cavi

1. Se si utilizzano cavi USB HS/FS (High Speed/Full Speed) per il collegamento del pannello frontale, assicurarsi che rispettino tutti i requisiti di cablaggio, richiamati nel Capitolo 6 delle Specifiche USB 2.0.

L'argomento relativo al pin-out del connettore di accoppiamento è spiegato più avanti; esempi di cavi specifici per il pannello frontale sono stati testati in base all'impedenza e sono riportati in tabelle specifiche.

2. Se vengono utilizzati dei cavi personalizzati, verificare sempre che vengano rispettati i requisiti nel Capitolo 6 delle Specifiche USB 2.0.

Connettori di accoppiamento scheda madre/PCB

La scelta idonea di un connettore di accoppiamento della scheda madre per il supporto USB del pannello frontale, è importante per assicurare che la qualità del segnale non venga influenzata negativamente a causa di un interfacciamento del connettore scadente.

Pin-out

É raccomandato assemblare almeno un gruppo di 10 pin da 2,54 cm, con il pin-out come mostrato nella schema in figura. É consigliato che il termistore per l'header del pannello frontale sia incluso sulla scheda madre, per evitare danni alla stessa.

Considerazioni sul routing del PCB

Le tracce da VCC al termistore, al C di bypass e all'alimentazione del connettore ed alla massa (GND Signal), dovrebbero essere larghe almeno 1,27 mm per assicurare un'adeguata capacità di trasporto della corrente (Larghezza piste PCB.) Ci dovrebbero essere, inoltre, doppi vias sulle alimentazioni (Vcc e GND) e le lunghezze delle tracce andrebbero mantenute più corte possibili.

Scheda connettori del pannello frontale

Posizionare la capacità di bypass Vbus, la bobina d'arresto e i componenti per la soppressione ESD, sulla scheda figlia (daughterboard), il più vicino possibile ai pin del connettore. Seguire quindi lo stesso controllo del layout, del routing e dell'impedenza, riportato nelle lineeguida per la motherboard nella sezione iniziale.

Minimizzare la lunghezza delle tracce sulla scheda connettori del pannello frontale: raccomandata inferiore a 2,54 cm. Usare lo stesso connettore di pin-out di accoppiamento, come mostrato nel capitolo Pin-out.

Articolo tratto da: “High Speed USB Platform Design Guidelines – Intel”

Prodotti per la prototipazione PCB sono disponibili da Farnell

Prototipazione PCB

Sono a disposizione nei commenti per discutere i vari aspetti dell’ottimizzazione dello sboglio dei PCB

6 Comments

  1. Fabrizio87 10 febbraio 2012
  2. Emanuele 10 febbraio 2012
  3. Emanuele 10 febbraio 2012
  4. Emanuele 13 maggio 2012
  5. Emanuele 18 febbraio 2012
  6. Bazinga 10 febbraio 2012

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