PCB-Routing-3W-Prinzip

In Hochgeschwindigkeits-LeiterplattenentwurfDie Signalintegrität ist eine der größten Herausforderungen für Ingenieure. Das 3W-Prinzip ist eine effektive Routing-Strategie, mit der sich Übersprechprobleme erheblich reduzieren lassen und ein stabiler Schaltungsbetrieb gewährleistet werden kann.

Die Kerndefinition des 3W-Prinzips

Was ist die 3W-Regel?

Die 3W-Regel ist eine grundlegende Richtlinie beim PCB-Routing, die Folgendes vorschreibt: Der Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Signalleitungen darf nicht weniger als das Dreifache der Leiterbahnbreite betragen.. Specifically, if the signal trace width is W, then the center distance between two parallel traces should satisfy L ≥ 3W, resulting in an edge-to-edge spacing of 2W.

Physikalische Grundlage der 3W-Regel

Crosstalk is primarily caused by parasitic capacitance and mutual inductance between traces. According to the capacitance formula C = εS/d, where:

• C steht für die parasitäre Kapazität zwischen Leiterbahnen.
• ε is the dielectric constant
• S ist die relative Leiterfläche
• d ist der Abstand zwischen den Leitern

Vergrößerung des Spurabstands (d) reduziert direkt die parasitäre Kapazität und verringert dadurch das Übersprechen. Die Stärke der elektrischen Feldkopplung nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab. Experimente belegen, dass ein Abstand von der dreifachen Leiterbahnbreite über 70 % der elektrischen Feldstörungen isolieren kann, während ein zehnfacher Abstand das Übersprechen um bis zu 98 % reduzieren kann.

Praktische Anwendung und Grenzen der 3W-Regel

Anwendungsszenarien

Die 3W-Regel gilt in erster Linie für die folgenden empfindlichen Signalleitungen:

• Hochfrequente Taktsignale
• Hochgeschwindigkeits-Datenbusse (z. B. DDR, PCIe)
• Differenzsignalpaare
• Video- und Audiosignalleitungen
• System-Reset- und Steuerleitungen

Wirksamkeitsbewertung und Einschränkungen

• WirksamkeitEin Abstand von 3 W reduziert das Übersprechen um etwa 70 %, während ein Abstand von 10 W eine Reduzierung um fast 98 % bewirken kann.
• BeschränkungenDie 3W-Regel gilt unter Bedingungen einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm, und ihre Wirksamkeit wird erheblich von der Stapelstruktur beeinflusst:
• Vierlagige Leiterplatte (5–10 mil Abstand zwischen Leiterbahn und Referenzebene): 3 W sind in der Regel ausreichend.
• Zweilagige Leiterplatte (45–55 mil Abstand zwischen Leiterbahn und Referenzebene): 3 W könnten unzureichend sein, und ein größerer Abstand könnte erforderlich sein.

Ergänzende Designstrategien zur 3W-Regel

Wachspuren

Für besonders empfindliche Signalleitungen, Wachspur-Design can be employed—placing ground traces on both sides of the signal trace and connecting them to the reference plane via ground vias. This method effectively absorbs crosstalk signals and may allow for some relaxation of the 3W spacing requirement in certain cases.

Kombination mit der 20H-Regel

Um Probleme mit der Strahlung an den Kanten der Stromversorgungsebene zu beheben, wurde die 20-Stunden-Regel can be applied—insetting the power plane by 20 times the dielectric thickness can suppress 70% of edge flux leakage, working synergistically with the 3W rule to reduce overall EMI.

Differenzsignal-Design

Bei Hochgeschwindigkeits-Differenzpaaren ist zusätzlich zur Abstandskontrolle Folgendes sicherzustellen:

• Strikte Längenanpassung (typischerweise Abweichung < 5 mil)
• Konsistente Impedanzsteuerung
• Symmetrischer Routing-Ansatz

Flexible Anwendung und Anpassung der 3W-Regel

Dynamische Abstandsanpassung

3W ist eher ein empirischer Wert als eine absolute Regel. Der tatsächliche Abstand sollte auf der Grundlage folgender Faktoren angepasst werden:

• Signalrate: Signals ≥500MHz may require 4W or 5W spacing
• Dielektrisches Material: Unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten beeinflussen die Übersprechpegel.
• ImpedanzanforderungenDie spezifische Impedanzanpassung kann den optimalen Abstand beeinflussen.

Berücksichtigung der 3H-Regel

Wenn die Leiterbahn weit von der Referenzebene entfernt ist, berücksichtigen Sie die 3H-Regel—trace spacing should not be less than 3 times the distance from the trace layer to the reference plane. This focuses more on electric field coupling control, complementing the 3W rule (which emphasizes magnetic field coupling).

Designüberprüfung und Simulation

Notwendigkeit der Simulation

Nach Abschluss der Routing-Ausführung ist eine Überprüfung mit professionellen Simulationswerkzeugen unerlässlich:

• Übersprechungsanalyse
• Signalintegritätsprüfung
• Impedanz-Durchgangsprüfung

Praktischer Testfall

Ein 5G-Router-Designfall zeigte, dass durch die Vergrößerung des Abstands zwischen HF- und Ethernet-Signalen von 0,8 mm auf umgerechnet 1 mm in Kombination mit einer geerdeten Kupferisolierung das Design die EMI-Prüfnormen erfolgreich erfüllte.

Allgemeine Probleme und Lösungen

Gilt die 3W-Regel für alle Spuren?

Nein. Die 3W-Regel zielt in erster Linie auf die Verlegung von Hochgeschwindigkeitssignalen über große Entfernungen ab. Bei Signalen mit niedriger Geschwindigkeit oder kurzen Strecken können die Anforderungen entsprechend gelockert werden, um die Verlegungsdichte zu verbessern.

Wie kann man Kompromisse eingehen, wenn der Platz begrenzt ist?

Wenn der Platz auf der Platine begrenzt ist, sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

1. Reduzierung des Abstands für nicht kritische Signale
2. Verwendung von Schutzspuren anstelle von vergrößertem Abstand
3. Optimierung der Stapelstruktur zur Verringerung des Abstands zwischen Leiterbahnen und Referenzebene

Ausgleich zwischen der 3W-Regel und der Impedanzsteuerung

In Bereichen mit strenger Impedanzkontrolle kann es erforderlich sein, den 3W-Abstand anzupassen, um die Impedanzanforderungen zu erfüllen. In solchen Fällen sollte durch Simulationen die optimale Kompromisslösung ermittelt werden.

Schlussfolgerung

Das 3W-Prinzip ist ein wichtiges Instrument in der PCB-Design Ingenieur-Toolbox, aber es ist keine Universallösung. Ein erfolgreiches Routing-Design erfordert eine umfassende Berücksichtigung der Signaleigenschaften, der Leiterplattenlagenstruktur, der Impedanzanforderungen und der EMV-Ziele, wobei das 3W-Prinzip mit anderen Designstrategien wie Grundflächen, der 20H-Regel und dem Differentialpaar-Design integriert werden muss. Nur durch einen iterativen Prozess aus theoretischer Analyse, Simulationsüberprüfung und praktischen Tests kann ein optimales Gleichgewicht zwischen Signalintegrität, EMV-Leistung und Herstellungskosten erreicht werden.