Principio de enrutamiento de PCB 3W

In Diseño de PCB de alta velocidadLa integridad de la señal es uno de los principales retos a los que se enfrentan los ingenieros. El principio 3W, como estrategia de enrutamiento eficaz, puede reducir significativamente los problemas de diafonía y garantizar un funcionamiento estable del circuito.

La definición fundamental del principio de las 3 W

¿Qué es la regla de las 3 W?

La regla de las 3 W es una directriz fundamental en el trazado de PCB que requiere la distancia entre centros de trazas de señal adyacentes no debe ser inferior a 3 veces el ancho de la traza.. 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.

Fundamentos físicos de la regla de los 3 W

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

• C representa la capacitancia parásita entre trazas.
• ε is the dielectric constant
• S es el área relativa del conductor.
• d es la distancia entre conductores.

Aumentar el espaciado entre trazas (d) reduce directamente la capacitancia parásita, lo que disminuye la diafonía. La intensidad del acoplamiento del campo eléctrico disminuye exponencialmente al aumentar la distancia. Los experimentos demuestran que una separación de 3 veces el ancho de la traza puede aislar más del 70 % de la interferencia del campo eléctrico, mientras que una separación de 10 veces puede reducir la diafonía hasta en un 98 %.

Aplicación práctica y limitaciones de la regla de las 3 W

Escenarios de aplicación

La regla de las 3 W se aplica principalmente a las siguientes trazas de señales sensibles:

• Señales de reloj de alta frecuencia
• Buses de datos de alta velocidad (por ejemplo, DDR, PCIe)
• Parejas de señales diferenciales
• Líneas de señal de vídeo y audio
• Líneas de reinicio y control del sistema

Evaluación de la eficacia y limitaciones

• Eficacia: El espaciado de 3 W reduce la diafonía en aproximadamente un 70 %, mientras que el espaciado de 10 W puede reducirla casi un 98 %.
• Limitaciones: La regla de los 3 W se cumple en condiciones de impedancia característica de 50 ohmios, y su eficacia se ve significativamente influenciada por la estructura de apilamiento:
• Placa de cuatro capas (espacio de 5-10 mil entre la traza y el plano de referencia): 3 W suele ser suficiente.
• Placa de dos capas (espacio de 45-55 mil entre la traza y el plano de referencia): 3 W podría ser insuficiente y podría ser necesario aumentar el espacio.

Estrategias de diseño complementarias a la regla de las 3 W

Rastros de guardia

Para trazas de señales especialmente sensibles, diseño de trazas de protección 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.

Combinación con la regla 20H

Para abordar los problemas de radiación en los bordes del plano de alimentación, el Regla de las 20 horas 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.

Diseño de señales diferenciales

Para pares diferenciales de alta velocidad, además del control del espaciado, asegúrese de lo siguiente:

• Correspondencia estricta de longitud (desviación típica <5 milésimas de pulgada)
• Control constante de la impedancia
• Enfoque de enrutamiento simétrico

Aplicación flexible y ajuste de la regla de los 3W

Ajuste dinámico del espaciado

3W es un valor empírico más que una regla absoluta. El espaciado real debe ajustarse en función de:

• Velocidad de señal: Signals ≥500MHz may require 4W or 5W spacing
• Material dieléctrico: Las diferentes constantes dieléctricas afectan a los niveles de diafonía.
• Requisitos de impedancia: La adaptación específica de la impedancia puede influir en el espaciado óptimo.

Consideración de la regla 3H

Cuando la capa de traza está lejos del plano de referencia, considere el Regla de las 3 horas—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).

Verificación y simulación del diseño

Necesidad de simulación

Una vez completada la ruta, es esencial realizar una verificación mediante herramientas de simulación profesionales:

• Análisis de diafonía
• Comprobación de la integridad de la señal
• Evaluación de la continuidad de la impedancia

Caso práctico de prueba

Un caso de diseño de un router 5G demostró que al aumentar la separación entre las señales de RF y Ethernet de 0,8 mm a 1 mm equivalente, en combinación con un aislamiento de cobre conectado a tierra, el diseño superó con éxito las normas de ensayo de EMI.

Problemas comunes y soluciones

¿Se aplica la regla de los 3W a todos los rastros?

No. La regla de los 3 W se aplica principalmente al enrutamiento de señales de alta velocidad a larga distancia. En el caso de señales de baja velocidad o trazas de corta distancia, los requisitos pueden flexibilizarse adecuadamente para mejorar la densidad de enrutamiento.

¿Cómo llegar a un acuerdo cuando el espacio es limitado?

Cuando el espacio en la placa sea limitado, tenga en cuenta lo siguiente:

1. Reducción del espaciado para señales no críticas
2. Usar trazas de protección en lugar de aumentar el espaciado
3. Optimización de la estructura de apilamiento para reducir la distancia entre las trazas y el plano de referencia.

Equilibrio entre la regla de las 3 W y el control de la impedancia

En áreas con un control estricto de la impedancia, puede ser necesario ajustar el espaciado de 3 W para cumplir con los requisitos de impedancia. En tales casos, las simulaciones deben determinar la solución óptima de compromiso.

Conclusión

El principio de las 3 W es una herramienta fundamental en el Diseño de PCB caja de herramientas del ingeniero, pero no es una solución universal. El diseño exitoso del enrutamiento requiere una consideración exhaustiva de las características de la señal, la estructura de las capas de la placa, los requisitos de impedancia y los objetivos de EMC, integrando el principio 3W con otras estrategias de diseño, como los planos de tierra, la regla 20H y el diseño de pares diferenciales. Solo a través de un proceso iterativo de análisis teórico, verificación de simulación y pruebas prácticas se puede lograr un equilibrio óptimo entre la integridad de la señal, el rendimiento de EMC y los costos de fabricación.