In Conception de circuits imprimés à haute vitesse, l'intégrité du signal est l'un des principaux défis auxquels sont confrontés les ingénieurs. Le principe des 3W, en tant que stratégie de routage efficace, peut réduire considérablement les problèmes de diaphonie et garantir un fonctionnement stable des circuits.
Table des matières
La définition fondamentale du principe des 3W
Qu'est-ce que la règle des 3W ?
La règle des 3W est une directive fondamentale dans le routage des circuits imprimés qui exige l'espacement centre à centre entre les pistes de signal adjacentes ne doit pas être inférieur à 3 fois la largeur de la piste. 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.
Fondements physiques de la règle des 3 W
Crosstalk is primarily caused by parasitic capacitance and mutual inductance between traces. According to the capacitance formula C = εS/d, where:
- C représente la capacité parasite entre les pistes.
- ε is the dielectric constant
- S est la surface relative du conducteur
- d est la distance entre les conducteurs
Augmentation de l'espacement des traces (d) réduit directement la capacité parasite, diminuant ainsi la diaphonie. La force du couplage du champ électrique diminue de manière exponentielle avec l'augmentation de la distance. Des expériences prouvent qu'un espacement égal à 3 fois la largeur de la trace peut isoler plus de 70 % des interférences du champ électrique, tandis qu'un espacement 10 fois supérieur peut réduire la diaphonie jusqu'à 98 %.
Application pratique et limites de la règle des 3W
Scénarios d'application
La règle des 3 W s'applique principalement aux traces de signaux sensibles suivantes :
- Signaux d'horloge à haute fréquence
- Bus de données à haut débit (par exemple, DDR, PCIe)
- Paires de signaux différentiels
- Lignes de signaux vidéo et audio
- Lignes de réinitialisation et de commande du système
Évaluation de l'efficacité et limites
- Efficacité: un espacement de 3 W réduit la diaphonie d'environ 70 %, tandis qu'un espacement de 10 W peut la réduire de près de 98 %.
- Limites: La règle des 3 W s'applique dans des conditions d'impédance caractéristique inférieure à 50 ohms, et son efficacité est fortement influencée par la structure d'empilement :
- Carte à quatre couches (espacement de 5 à 10 mil entre la piste et le plan de référence) : 3 W suffisent généralement.
- Carte à deux couches (espacement de 45 à 55 mil entre la piste et le plan de référence) : 3 W peuvent être insuffisants et un espacement accru peut être nécessaire.

Stratégies de conception complémentaires à la règle des 3W
Traces de garde
Pour les traces de signaux particulièrement sensibles, conception de traces de garde 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.
Combinaison avec la règle 20H
Pour résoudre les problèmes de rayonnement au niveau des bords du plan d'alimentation, le Règle des 20 heures 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.
Conception de signaux différentiels
Pour les paires différentielles à haute vitesse, en plus du contrôle de l'espacement, veillez à :
- Correspondance stricte de la longueur (écart généralement inférieur à 5 mil)
- Contrôle constant de l'impédance
- Approche de routage symétrique
Application et ajustement flexibles de la règle des 3W
Réglage dynamique de l'espacement
3W est une valeur empirique plutôt qu'une règle absolue. L'espacement réel doit être ajusté en fonction :
- Taux de signal: Signals ≥500MHz may require 4W or 5W spacing
- Matériau diélectrique: Différentes constantes diélectriques affectent les niveaux de diaphonie.
- Exigences en matière d'impédance: L'adaptation spécifique de l'impédance peut influencer l'espacement optimal.
Prise en compte de la règle des 3H
Lorsque la couche de trace est éloignée du plan de référence, tenez compte de la règle des 3H—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).
Vérification et simulation de conception
Nécessité de la simulation
Une fois le routage terminé, il est essentiel de procéder à une vérification à l'aide d'outils de simulation professionnels :
- Analyse de diaphonie
- Contrôle de l'intégrité du signal
- Évaluation de la continuité de l'impédance
Cas pratique
Un cas de conception de routeur 5G a montré qu'en augmentant l'espacement entre les signaux RF et Ethernet de 0,8 mm à 1 mm, combiné à une isolation en cuivre mise à la terre, la conception a réussi les tests EMI.

Problèmes courants et solutions
La règle des 3W s'applique-t-elle à toutes les traces ?
Non. La règle des 3 W concerne principalement le routage longue distance des signaux à haute vitesse. Pour les signaux à faible vitesse ou les traces à courte distance, les exigences peuvent être assouplies de manière appropriée afin d'améliorer la densité de routage.
Comment faire des compromis lorsque l'espace est limité ?
Lorsque l'espace sur la carte est limité, envisagez :
- Réduction de l'espacement pour les signaux non critiques
- Utilisation de traces de garde au lieu d'augmenter l'espacement
- Optimisation de la structure d'empilement afin de réduire la distance entre les traces et le plan de référence
Équilibrer la règle des 3 W et le contrôle de l'impédance
Dans les zones où le contrôle de l'impédance est strict, il peut être nécessaire d'ajuster l'espacement 3W pour répondre aux exigences en matière d'impédance. Dans ce cas, des simulations doivent être réalisées afin de déterminer la solution optimale.
Conclusion
Le principe des 3W est un outil essentiel dans le Conception de circuits imprimés boîte à outils de l'ingénieur, mais ce n'est pas une solution universelle. Une conception de routage réussie nécessite une prise en compte globale des caractéristiques du signal, de la structure des couches de la carte, des exigences d'impédance et des objectifs CEM, en intégrant le principe 3W à d'autres stratégies de conception telles que les plans de masse, la règle 20H et la conception de paires différentielles. Seul un processus itératif d'analyse théorique, de vérification par simulation et de tests pratiques permet d'atteindre un équilibre optimal entre l'intégrité du signal, les performances CEM et les coûts de fabrication.