Plošné spoje v pravých úhlech

Vedení spojů pod pravým úhlem bývá obvykle zdrojem řady vášnivých diskuzí. Stačí jen malá zmínka o 90° rozích, přičemž je lhostejné, zda jste jejich odpůrci a tvrdíte, že by se neměly používat, nebo zastáváte naopak názor, že ničemu nevadí a mohou být bez problémů používány, a vždy máte jistotu zajímavé, aktivní diskuze.

Argumenty proti se dají rozdělit do dvou kategorií:

• nesoulad v impedanci,
• EMI.

Nesoulad v impedanci

Plocha mědi v pravém úhlu je vždy větší, než plocha rovného vodiče. Výsledkem je pokles hodnoty impedance plošného spoje Zo v místě rohu a tím i nesoulad impedancí. To ve výsledku způsobí odrazy, zkreslení signálu a šum podél plošného spoje. Na jedné konferenci jsem dokonce slyšel názor účastníka, který použil scestné přirovnání pohybu elektronu ke hře s kuličkami – ty se od 90° rohu odrazí zpět, zatímco kolem 45° rohu poskakují! Jen tak mezi námi: elektrony se tak rozhodně nechovají.

EMI

Druhý argument vychází z teorie, že v ostrých rozích dochází k soustředění elektrického pole a jeho následné přeměně v nežádoucí elektromagnetické záření, které se v tomto bodě projevuje jako EMI – elektromagnetická interference. Jeden autor zašel dokonce tak daleko, že tvrdí, že „elektrony doslova vylétávají z ostrého rohu ohybu ven“.

Někteří zastánci této teorie používají jako důkaz dětskou hračku zvanou „Slinky“ – známou „chodicí“ spirálu. Závity spirály přitom představují kruhové magnetické pole kolem vodiče. Argumentují tím, že když zkusíte ohnout „Slinky“ do skutečně pravého úhlu, nepodaří se vám to (zkuste si to). To má být důkazem výrazné nesouvislosti elektromagnetického pole v takovém místě a také důvodem, že se EMI může stát (a také stane) problémem.

Test

Několik odborníků se kvůli protichůdným názorům na tuto problematiku rozhodlo zhotovit zkušební desku a zjistit skutečný efekt pravoúhlých spojů. Přínosem takového testu mělo být jednou provždy vyjasnit celou záležitost.

Pro takovýto test jsou potřeba minimálně 3 typy podkladů, které obvykle nepochází z jednoho zdroje. Musí se vymyslet koncepce zkušební desky, ta se musí navrhnout a vyrobit. Nakonec musí odborník s odpovídajícím vybavením a znalostmi provést testování a vyhodnocení.

Obr. 1 Motiv testovací desky

Na obr. 1 je uveden použitý návrh experimentální desky s plošnými spoji, využívající šest samostatných spojů v různém provedení. Všechny spoje jsou na desce vedeny jako samostatné plošné spoje s řízenou impedancí a se stejnými rozměry (0,25 mm šířky/0,175 mm tloušťky dielektrika FR4 mezi spojem a spodní měděnou plochou, Er=4,6). Jeden konec každého spoje je opatřený 50Ω vf konektorem pro připojení laboratorního zařízení, zatímco druhý konec je zakončen pájecí ploškou pro připojení zátěže pro impedanční přizpůsobení. Všechny spoje jsou dlouhé přesně 200 mm. Součástí desky bylo také několik spojů a konektorů určených pro další zkoumání, které s tímto testem nijak nesouvisely a tak zde nejsou ani zakresleny.

Tab. 1 ukazuje detailní údaje o jednotlivých rozích spojů. Plošný spoj Trace 2 je na desce veden rovně, bez jakýchkoliv oblouků a slouží jako referenční hodnota pro další srovnání. Každý další spoj obsahuje vždy dva shodné oblouky od velmi ostrých, přes 90° (ty se dnes téměř nepoužívají) až po 45°. Spoj Trace 7 představuje se svými 135° opravdový extrém.

Výsledky

Na každém jednotlivém spoji byly provedeny dva druhy analýz – jedna pro vyhodnocení nesouladu v impedanci a druhá pro vyzařování EMI.

Impedance

Každý jednotlivý spoj byl zkoumán pomocí TDR (Time Domain Reflectometer). Tento nástroj je schopen změřit impedanci prakticky v každém bodě celého spoje. Na obr. 2 je uvedena geometrie kolem 90° rohů. Maximální šířka je 1,414 (√2) násobek základní šířky spoje. To má teoreticky dopad na charakteristickou impedanci (Zo), která je závislá (mimo jiné) na aktuální šířce spoje. Reálná změna impedance je v tomto bodě přibližně –15 až –20 % Zo. Vzdálenost, na kterou lze změnu impedance zaznamenat (teoreticky) se rovná šířce daného spoje, tedy W. To znamená, že impedance (opět teoreticky) se ze své nominální hodnoty snižuje až o 20 % do vzdálenosti W/2 a následně opět do vzdálenosti W/2 se vrací zpět na svou nominální hodnotu. Pro většinu spojů na desce se jedná o naprosto zanedbatelnou vzdálenost.

Obr. 2 Rozměry a geometrie 90° rohů

Výsledek analýzy TDR je uveden na obr. 3. Náběh impulsu TDR trval přibližně 17 psec, což odpovídá délce zhruba 2,8 mm plošného spoje, což je asi 10× více, než je šířka spoje. Pokud by se podél plošného spoje naměřila nějaká nesouvislost, efekt by byl tak extrémně malý a omezený na velice krátkou vzdálenost, že by ho TDR s náběžnou hranou 17 psec nemohl zaznamenat.

Obr. 3 Typický výstup TDR – Trace 3

Jednoduše shrnuto, vliv 90° rohů je z pohledu změny impedance velice malý a stěží měřitelný. Jejich důsledky jsou mnohem menší, než kupříkladu vedení signálu přes prokovy (via).

EMI

Přestože měření vyzařování EMI je obvykle poměrně obtížné, v našem případě je situace mnohem jednodušší. Nás totiž ani tak nezajímá absolutní hodnota vyzařování z daného spoje, jako spíš relativní odchylka mezi jednotlivými konfiguracemi. Otázkou není, jakou úroveň vyzařování má ten který spoj, jako spíš to, jestli 90° rohy vyzařují více než 45°.

Obr. 4 Uspořádání experimentu při měření EMI

Celková koncepce testu je znázorněna na obr. 4. Základem byl síťový analyzátor, který z portu 1 budil dané vedení, zatímco vyzařování desky bylo zachyceno ve vzdálenosti 1 m logaritmicko-periodickou anténou. Celý experiment probíhal v částečně stíněné místnosti a spočíval ve více než 60 dílčích měřeních, které zahrnovaly různé spoje na desce při její horizontální či vertikální orientaci, při připojení či odpojení výstupní impedance atd.

Základní měření/kalibrace proběhla na středním vodiči stíněného kabelu, jehož konec byl v délce asi 3 cm odizolován a tím sloužil jako malá monopólová anténa. Z této malé referenční antény bylo měřeno vyzařování zhruba až do frekvence 1,3 GHz.

Poté byl síťový analyzátor použit k měření přenosového koeficientu S21, mezi spoji 1 a 2. Výsledek posloužil jako referenční hodnota intenzity vyzařovaného pole. Na začátku měření nebyl síťový analyzátor připojen k žádnému plošnému spoji desky, čímž se zjistila počáteční úroveň šumu a teprve potom byl vstup připojen ke spoji T2. Vyzařování z rovného spoje bylo přibližně 15 dB nad úrovní šumu, ale přinejmenším 35 dB pod úrovní vyzařování z krátké referenční antény.

Potom bylo na testovací desce měřeno vyzařování zbývajících plošných spojů. U spojů T3 (90°) a T6 (45°) bylo celkové vyzařování mírně vyšší, než u spoje T2 (rovný spoj). Dokonce se ukázalo v rozporu s očekáváním, že spoj T6 vyzařuje o něco více než spoj T3. Ale ani jeden z testovaných spojů nevyzařoval nijak výrazně více, než ostatní. To ukazuje na dvě skutečnosti: na obtížnost, kterou tyto druhy měření doprovází a na fakt, že účinky rohů (pokud existují) jsou výrazně nižší, než jsou chyby měření, které v tomto druhu analýz existují.

Závěr

Údaje z TDR nevykazují žádné měřitelné odrazy ani na 90°, ani na 45° plošném spoji (microstrip). Teoreticky sice v místě zlomu dochází ke změně nominální impedance, ale výsledný efekt nemůže být s náběžnou hranou impulsu 17 ps měřen.

Podobně ani měření vyzařování (až do frekvence 1,3 GHz) nebylo na spojích s 90° úhly v porovnání s 45° úhly větší, než jaká je hodnota odchylky měření. Všechny tvary spojů produkovaly při měření úroveň o 35 až 50 dB nižší, než jaká byla u 3 cm dlouhé, monopolové antény a jen mírně vyšší než v případě rovného spoje.

U většiny desek plošných spojů lze tedy očekávat mnohem větší vyzařování a odrazy signálů způsobené integrovanými obvody, konektory a prokovy (via), než samotnými rohy plošných spojů 45° nebo 90°.

www.ultracad.com