PCB设计
    下面是我对电源回流的理解,跟大家分享一下^_^(其中介绍的一些处理方法在国内外很多高速PCB电路里都有应用的)

    这里简单构造了一个“场景”,结合下图介绍一下地回流和电源回流以及一些跨分割问题。为方便作图,把层间距放大。

   IC1为信号输出端,IC2为信号输入端(为简化PCB模型,假定接收端内含下接电阻)第三层为地层。IC1和IC2的地均来自于第三层地层面。顶层右上角为一块电源平面,接到电源正极。C1和C2分别为IC1、IC2的退耦电容。图上所示的芯片的电源和地脚均为发、收信号端的供电电源和地。

    在低频时,如果S1端输出高电平,整个电流回路是电源经导线接到VCC电源平面,然后经橙色路径进入IC1,然后从S1端出来,沿第二层的导线经R1端进入IC2,然后进入GND层,经红色路径回到电源负极。

    但在高频时,PCB所呈现的分布特性会对信号产生很大影响。我们常说的地回流就是高频信号中经常要遇到的一个问题。当S1到R1的信号线中有增大的电流时,外部的磁场变化很快,会使附近的导体感应出一个反向的电流。如果第三层的地平面是完整的地平面的话,那么会在地平面上会有一个蓝色虚线标示的电流;如果TOP层有一个完整的电源平面的话,也会在顶层有一个沿蓝色虚线的回流。此时信号回路有最小的电流回路,向外辐射的能量最小,耦合外部信号的能力也最小。(高频时的趋肤效应也是向外辐射能量最小,原理是一样的。)
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    由于高频信号电平和电流变化都很快,但是变化周期短,需要的能量并不是很大,所以芯片是和离芯片最近的退耦电容取电的。当C1足够大,而且反应又足够快(有很低的ESR值,通常用瓷片电容。瓷片电容的ESR远低于钽电容。),位于顶层的橙色路径和位于GND层的红色路径可以看成是不存在的(存在一个和整板供电对应的电流,但不是与图示信号对应的电流)。

    因此,按图中构造的环境,电流的整个通路是:由C1的正极->IC1的VCC->S1->L2信号线->R1->IC2的GND->过孔->GND层的黄色路径->过孔->电容负极。可以看到,电流的垂直方向有一个棕色的等效电流,中间会感应出磁场,同时,这个环面也能很容易的耦合到外来的干扰。如果和图中信号为一条时钟信号,并行有一组8bit的数据线,由同一芯片的同一电源供电,电流回流途径是相同的。如果数据线电平同时同向翻转的话,会使时钟上感应一个很大的反向电流,如果时钟线没有良好的匹配的话,这个串扰足以对时钟信号产生致命影响。这种串扰的强度不是和干扰源的高低电平的绝对值成正比,而是和干扰源的电流变化速率成正比,对于一个纯阻性的负载来说,串扰电流正比于dI/dt=dV/(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (电流变化速率)、dV(干扰源的摆幅)和R(干扰源负载)都是指干扰源的参数(如果是容性负载的话,dI/dt是与T10%-90%的平方成反比的。)。从式中可以看出,低速的信号未必比高速信号的串扰小。也就是我们说的:1kHZ的信号未必是低速信号,要综合考虑沿的情况。对于沿很陡的信号,是包含很多谐波成分的,在各倍频点都有很大的振幅。因此,在选器件的时候也要注意一下,不要一味选开关速度快的芯片,不仅成本高,还会增加串扰以及EMC问题。

    任何相邻的电源层或其它的平面,只要在信号两端有合适的电容提供一个到GND的低电抗通路,那么这个平面就可以作为这个信号的回流平面。在平常的应用中,收发对应的芯片IO电源往往是一致的,而且各自的电源与地之间一般都有0.01-0.1uF的退耦电容,而这些电容也恰恰在信号的两端,所以该电源平面的回流效果是仅次于地平面的。而借用其他的电源平面做回流的话,往往不会在信号两端有到地的低电抗通路。这样,在相邻平面感应出的电流就会寻找最近的电容回到地。如果这个“最近的电容”离始端或终端很远的话,这个回流也要经过“长途跋涉”才能形成一个完整的回流通路,而这个通路也是相邻信号的回流通路,这个相同的回流通路和共地干扰的效果是一样的,等效为信号之间的串扰。

对于一些无法避免的跨电源分割的情况,可以在跨分割的地方跨接电容或RC串联构成的高通滤波器(如10欧电阻串680p电容,具体的值要依自己的信号类型而定,即要提供高频回流通路,又要隔离相互平面间的低频串扰)。这样可能会涉及到在电源平面之间加电容的问题,似乎有点滑稽,但肯定是有效的。如果一些规范上不允许的话,可以在分割处两平面分别引电容到地。
    对于借用其它平面做回流的情况,最好能在信号两端适当增加几个小电容到地,提供一个回流通路。但这种做法往往难以实现。因为终端附近的表层空间大多都给匹配电阻和芯片的退耦电容占据了。

    时间原因就先写这些…如果有遗漏或错误的地方请大家提醒。共同学习提高^_^。

设计高频电路用电路板有许多注意事项,尤其是GHz等级的高频电路,更需要注意各电子组件pad与印刷pattern的长度对电路特性所造成的影响。最近几年高频电路与数字电路共享相同电路板,构成所谓的混载电路系统似乎有增加的趋势,类似如此的设计经常会造成数字电路动作时,高频电路却发生动作不稳定等现象,其中原因之一是数字电路产生的噪讯,影响高频电路正常动作所致。为了避免上述问题除了设法分割两电路block之外,设计电路板之前充分检讨设计构想,才是根本应有的手法,基本上设计高频电路用电路板必需掌握下列三大原则:

1.高质感。
2.不可取巧。
3.不可仓促抢时间。
   
设计高频电路板的基本常识

以下是设计高频电路板的基本常识:

(a).印刷pattern的长度会影响电路特性。

尤其是传输速度为GHz高速数字电路的传输线路,通常会使用strip line,同
时藉由调整配线长度补正传输延迟时间,其实这也意味着电子组件的设置位置对电路特性具有绝对性的影响。

(b).Ground作大better。

铜箔面整体设置ground层,而连接via的better ground则是高频电路板与高速数字电路板共同的特征,此外高频电路板最忌讳使用幅宽细窄的印刷pattern描绘ground。

(c).电子组件的ground端子,以最短的长度与电路板的ground连接。

具体方法是在电子组件的ground端子pad附近设置via,使电子组件能以最短的长度与电路板的ground连接。

(d).信号线作短配线设计。

不可任意加大配线长度,尽量缩短配线长度。

(e).减少电路之间的结合。

尤其是filter与amplifier输出入之间作电路分割非常重要,它相当于audio电路的cross talk对策。



高频电路板的设计步骤

高频电路板的设计步骤大致上可整理成如下:

1.根据外筐尺寸的限制,决定电路板的大小。

2.制作印刷电路板外形,与library的data。

3.决定高频电路单元与信号处理单元的封装位置。

基本上高频电路单元与模拟/数字信号处理单元必需分开封装,分割方式有两种分别如下:

(a).将电路板正面与反面的的高频电路单元与数字信号处理单元分开,主要原因是数字电路的噪讯很容易流入高频电路单元,高频电路单元的背面设置数字电路时,必需避免两者的封装在相同角落上。

(b).将电路板对分成高频电路单元与数字信号处理单元各占一半的场合,高频电路单元的控制信号线回绕长度如果过过长时,很容易受到数字电路噪讯的影响

4.电路板设置电子组件。

组件设置作业对设计高频电路板而言具有决定性的影响,尤其是包含ground via与连接via的面积,以及如何确保电子组件之间的space等设计非常的重要,例如电子组件之间的space设计不当的话,将招致无法设置ground via,以及无法连接via等严重后果,也就是说电子组件的配置是否适宜,会使高频电路的性能产生重大变化。

5.设计配线

除了印刷pattern的配线之外,同时还需要调整line的阻抗(impedance),并设置ground via。

6.检查配线

完成电路板data之后必需检查设计规范(rule),尤其是检查print out的配线是否有任何设计上的疏失,如果电路板有正、反面辨识上的需求时,可提出数据数据要求厂商制作。


设计高频电路板的四大要诀

(一).利用印刷pattern取代被动电子组件的功能

照片1是1.5GHz RF增幅器电路板封装后的外观;图1是RF增幅器的电路layout图。该电路的噪讯值为0.6~0.7dB,电路板中央部位附近设有富士通编号为FHC30 FA的HEMT(High Electron Mobility Transistor)电子组件。图1中的MS组件是表示micro strip,由于电容与线圈的功能可利用micro strip实现,因此该电路并未使用被动电子组件。例如照片1之中与HEMT gate垂直延伸的印刷pattern (简称为open stub),就可发挥电容的功能。此外基于增幅器的稳定性必需取得等化,因此input电路整合ГOPT (NF最小点),output电路的阻抗(impedance)则作50Ω的设计整合。由于整合用的device也是用印刷pattern形成,所以实际设计电路板时必需将长度与宽度作严谨的配合。
 

照片1 高频电路板利用印刷pattern,取代被动电子组件设计实例


图1 照片1的1.5GHz RF增幅器电路图
 
(二).电子组件沿着信号传输方向排列,降低配线长度

照片2是800MHz RF增幅器电路板封装后的外观;图2是RF增幅器的电路layout图。图2中的低噪讯Transistor电子组件使用NEC的2SC5185,由可知照片2电子组件沿着信号传输方向排列,藉此降低配线长度。


照片2 电子组件沿着信号传输方向排列,降低配线长度的设计实例


图2 照片2的800MHz RF增幅器电路图

(三).Emitter 端子附近设置ground via

如照片2所示高频Transistor组件2SC5185两个Emitter具有四只脚(pin),由照片可看见Emitter端子,pad的附近设有ground via,此种结构一般称为mini mo del type。如果via远离pad,增幅器的特性就会产生巨大变化,严重时甚至无法获得模拟分析预期的等化与阻抗(impedance)特性。从Emitter端子到via的配线,可因micro strip line的结构而产生组件特性,有关它的影响力将在后述章节中会以模拟分析方式深入探讨。总而言之在高频电路板,电子组件ground的处理非常重要。

(四).发热电子组件可利用ground面与金属筐体散热

照片3是800MHz RF送信机后段电路板封装后的外观,由照片可看见FET的source端子附近设有许多与ground层连接的via,这些via除了可以用低阻抗与ground层连接之外,还可将高频电路的送信单元产生的热能排除进而获得散热效果。这种散热方法尤其是对不易将发热组件的热能排除时,可透过电路板的ground铜箔面,将热能导至金属筐体协助散热,如果祇是为了散热,铜箔必需有70~100μm的厚度才能发挥预期的散热效果,因此电路板上的铜箔被视为有效的散热对策之一。


照片3 800MHz RF送信机后段,电路板增加散热用via的设计实例

波长对pattern长度的相关性

*波长与波长的关系

图4是12GHz micro strip edge couple BPF电路板封装后的外观,类似如此超高频的印刷pattern重合部位,不论是长度、宽度与间隔都需作高精度的要求,如果是图2所示的电路板封装方式,基本上不可能获得预期的高频特性。主要原因是两电路板处理的信号频率差异,使得电路板的layout方式也截然不同。假设空气中或是真空中的波长为λ(mm) ,频率为f(GHZ) 时,两者的关系式如下:


表1是利用式(1)试算波长与频率的结果。

频率(GHZ)
真空中的(mm)

1
300

2.4
125

5.6
53.6

12
25


表1 空气中或的波长与频率的关系

 
照片4 12GHz的micro strip edge couple BPF电路板的设计实例


*印刷电路板上的波长比真空中的波长短

在比诱电率为 的电路板上的信号波长会变短,这种现象称为波长缩短率 ,波长缩短率可用下式表示:


例如G10玻璃环氧树脂(glass epoxy)的 为4.8,如果将该值夜代入式(2)便可求得波长缩短率:


假设800MHz的信号,空间波长为375nm,则玻璃环氧树脂电路板上的波长会缩短为:

375×0.456=171nm

*实际波长可用实效比诱电率计算

实际电路板若是由micro strip line构成的场合,由于电界会外漏至诱电体电路板外面临造成诱电率下降,该诱电率称为实效比诱电率。电路板上的缩短率SPCB 可用下式表示:
 

表2是1GHz常用的CEM-3与12GHz BS converter常用的PPO,利用MEL的SNAP高频仿真器计算两者实效比诱电率的结果;表3是根据实效比诱电率的计算结果,计算1G Hz与12GHz信号在印刷电路板上的波长。根据仿真分析结果显示传至印刷pattern的高频信号波长,对电路板的材质具有很高的相关性。
诱电体的厚度(t=mm)
实效比诱电率( εr )
特性阻抗 Zo ( Ω )
Line宽度 W(mm)

0.6
3.246
50.07
1.143

1
3.256
50.08
1.92

(a)CEM-3, εr = 4.3,铜箔厚度18μm,频率1GHz

诱电体的厚度(t=mm)
实效比诱电率( εr )
特性阻抗 Zo ( Ω )
Line宽度 W(mm)

0.6
2.591
50.06
1.396

1
2.669
50.06
2.289


(b)PPO,εr = 3.2 ,铜箔厚度18μm,频率10GHz
表2 典型的两种印刷电路板的实效比诱电率

频率
空间波长(λair)
电路板上的波长

(GHz)
SPCB (mm)
SPCB / 4(mm)

1
300
166.5
41.6

12
 
15.5
3.9

表3 电路板上与空气中的波长差异

PCB板的跨分割设计 不指定

清明远布 , 2008/07/12 12:38 , PCB设计 » 布线策路 , 评论(0) , 阅读(159) , Via 本站原创
在电路设计的时候,在一块PCB板上存在多种电源、多种地的情况越来越多,例如48V,12V-12V,5V,-5V,3.3V,2.5V,1.8V1.5V等电源中常见的种类,AGND(模拟地)DGND(数字地)、PGND(保护地)等不同功能所需的地平面纵横交错,一部分IC明确要求本IC要进行单点接地,以及所需的电源、地平面挖空。为了保证这些地、电源都有高的可靠性,将每一种电源、地分配一层,即一个平面,必然导致电路板叠层的增加,电路板制作的成本大幅度升高。前面说过,电路板的制作成本和叠层数成正比。为了兼顾节约成本和保证电路板的可靠性,工程师在PCB设计的时候,会按照电路板的特点、将两种或者几种PCB的电源或地设计在同一个平面上,从而导致了电源、地平面的不完整,即地(电源)层分割。



一、PCB板的跨分割设计
电路上PCB走线穿过地(电源)层分割,信号的完整性会受到很大的影响,以及电路的EMI和EMC特性也发生变化,这就是跨分割问题。这些也往往是电子工程师容易忽略的问题。跨分割问题的产生主要有两个来源:


1、电源/地平面的分割
如图4-12所示,在同一层(地层)上有模拟地和数字地的分割。当PCB走线穿过这个分割带时,跨分割问题产生了。
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2、密集过孔或密集插装(压接)器件管脚定义不当造成的分割
密集过孔或密集插装(压接)器件在管脚定义时如果分布得不合理,而管脚之间的距离很小,会在地层或者定义层造成了一个狭长的隔离带。如果有走线穿过这个分割,就造成做跨分割现象。
我们先看看如图4-13所示的走线。
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这些布线表面上无可挑剔:整齐,漂亮,也是一般电子或电路工程师所喜欢的布线方式。我们再看一下这些过孔对应区域的电源/地平面(图6-14),就会发现产生了电源、地层分割问题。

在图4-13 中,由于过孔间距过近,在电源/地平面上造成一条长长分割带,如图4-14所示,如果有走线穿过这个分割带时,跨分割问题也产生了。这类问题主要出现在电路中总线布线时容易出现,必须引起广大工程师的注意。
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同样地,当通孔(包括焊盘和过孔)穿过地/电源平面时,如果通孔之间的距离靠得过近,上述问题也就同样出现了。这类问题主要出现在密集插装(压接)器件管脚定义不当时容易出现。因此,在定义密集插装(压接)器件管脚信号时,不仅要考虑信号的个数种类,还必须考虑信号总线的排列方式,避免对电源、地平面造成分割带来跨分割问题。



二、PCB板的跨分割走线的危害
跨分割走线的主要危害包括:
(1)导致走线的阻抗不连续;
(2)容易使信号之间发生串扰;
(3)可能引起信号的反射;
(4)增大电流环路面积,加大环路电感,使输出的波形容易振荡;
(5)增加向空间的辐射干扰,同时易受空间磁场的影响;
(6)加大与板上其他电路产生磁场耦合的可能性;
(7)环路电感上的高频压降构成共模辐射源,并通过外接电缆产生共模辐射。
为了形象地描述跨分割走线对电路的危害,我们用图4-15给出了一个地槽引起高频信号产生串扰的示意图。
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对于需要严格的阻抗控制、按带状线模型走线的高速信号线而言,还会因为上平面、下平面或上下平面的开槽破坏带状线模型,造成阻抗的不连续,引起严重的信号失真,使信号的可靠度下降。
为了形象地描述跨分割走线对电磁干扰的影响,笔者进行“了试验对比。从对比的结果很容易看到跨分割的影响。
在一块PCB板上布了两根走线,两者激励源相同,负载完全一样,均走在同一布线层,长度均为6000MIL,惟一不同的是,一个跨了平面分割,另外一个参考平面完整。通过开关切换,在保证外部条件完全相同的情况下,分别让其中的一个网络上电,在半波暗室测试结果如下:
从图4-16和图4-17可以清楚地看出:信号跨分割区会增加辐射8dB-10dB;具体增加的辐射强度取决于跨分割导致的回流路径回路面积的大小,也与周围的电磁干扰环境有关。如果一条时钟线在对外接口线缆附近跨分割布线,其导致的电磁干扰强度可能超过20dB。由此可见跨分割布线会造成很大的电磁干扰,不仅干扰自身,同时它的电磁辐射还会对周围其他的电路或系统造成干扰。因此,我们在布线的时候一定要注意,尽量避免跨分割走线。

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三、PCB板避免跨分割的办法
跨分割走线给电路带来很大的危害,我们在实际电路的时候,应该尽量避免造成跨分割现象,主要注意以下几点:
(1)走线避免穿越分割带,走线的时候考虑地、电源的分割,让走线绕开电源的分割问题,
也可以增加电路的叠层数来避免跨分割问题。
(2)通常布线的时候,电源分割是在不信号线之后设计,做电源或地分割时,一定要注意在地、电源分割的时候,会对哪些信号造成影响,会造成哪些信号线的跨分割走线,哪些是我们可以避免的,注意适当地调整地、电源分割。
(3)过孔设计和散孔不应过于密集,造成地、电源平面的隔离带。
(4)插装器件或者接插件在定义时,要分布地合理,充分考虑对地、电源平面的影响,是否造成分割,导致EMI增强。
1、3点以上连线,尽量让线依次通过各点,便于测试,线长尽量短,如下图(按前一种):
2、引脚之间尽量不要放线,特别是集成电路引脚之间和周围。
3、不同层之间的线尽量不要平行,以免形成实际上的电容。
4、布线尽量是直线,或45度折线,避免产生电磁辐射。
5、地线、电源线至少10-15mil以上(对逻辑电路)。
6、尽量让铺地多义线连在一起,增大接地面积。线与线之间尽量整齐。
7、注意元件排放均匀,以便安装、插件、焊接操作。文字排放在当前字符层,位置合理,注意朝向,避免被遮挡,便于生产。
8、元件排放多考虑结构,贴片元件有正负极应在封装和最后标明,避免空间冲突。
9、目前印制板可作4—5mil的布线,但通常作6mil线宽,8mil线距,12/20mil焊盘。布线应考虑灌入电流等的影响。
10、功能块元件尽量放在一起,斑马条等LCD附近元件不能靠之太近。
11、过孔要涂绿油(置为负一倍值)。
12、电池座下最好不要放置焊盘、过空等,PAD和VIL尺寸合理。
13、布线完成后要仔细检查每一个联线(包括NETLABLE)是否真的连接上(可用点亮法)。
14、振荡电路元件尽量靠近IC,振荡电路尽量远离天线等易受干扰区。晶振下要放接地焊盘。
15、多考虑加固、挖空放元件等多种方式,避免辐射源过多。
16、设计流程:
A:设计原理图;
B:确认原理;
C:检查电器连接是否完全;
D:检查是否封装所有元件,是否尺寸正确;
E:放置元件;
F:检查元件位置是否合理(可打印1:1图比较);
G:可先布地线和电源线;
H:检查有无飞线(可关掉除飞线层外其他层);
I:优化布线;
J:再检查布线完整性;
K:比较网络表,查有无遗漏;
L:规则校验,有无不应该的错误标号;
M:文字说明整理;
N:添加制板标志性文字说明;
O:综合性检查。

高速PCB设计心得 不指定

清明远布 , 2007/05/02 09:57 , PCB设计 » 高频布线 , 评论(0) , 阅读(110) , Via 本站原创
随着PCB 系统的向着高密度和高速度的趋势不断的发展,电源的完整性问题,信号的完整性问题(SI),以及EMI,EMC 的问题越来越突出,严重的影响了系统的性能甚至功能的实现。所谓高速并没有确切的定义,当然并不单单指时钟的速度,还包括数字系统上升沿及下降沿的跳变的速度,跳变的速度越快,上升和下降的时间越短,信号的高次谐波分量越丰富,当然就越容易引起SI,EMC,EMI 的问题。本文根据以往的一些经验在以下几个方面对高速PCB 的设计提出一些看法,希望对各位同事能有所帮助。

电源在系统设计中的重要性
不同传输线路的设计规则
电磁干扰的产生以及避免措施



二:电源的完整性
1. 供电电压的压降问题。
随着芯片工艺的提高,芯片的内核电压及IO 电压越来越小,但功耗还是很大,所以电流有上升的趋势。在内核及电压比较高,功耗不是很大的系统中,电压压降问题也许不是很突出,但如果内核电压比较小,功耗又比较大的情况下,电源路径上的哪怕是0.1V的压降都是不允许的,比如说ADI 公司的TS201 内核电压只有1.2V,内核供电电流要2.68A,如果路径上有0.1 欧姆的电阻,电压将会有0.268V 的压降,这么大的压降会使芯片工作不正常。如何尽量减小路径上的压降呢?主要通过以下几种方法。

a:尽量保证电源路径的畅通,减小路径上的阻抗,包括热焊盘的连接方式,应该尽量的保持电流的畅通,如下图1 和图2 的比较,很明显图2 中选择的热焊盘要强于图1。
b:尽量增加大电流层的铜厚,最好能铺设两层同一网络的电源,以保证大电流能顺利的流过,避免产生过大的压降,关于电流大小和所流经铜厚的关系如表1 所示。
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(表1)
1 oz.铜即35 微米厚,2 oz.70 微米, 类推
举例说,线宽0.025 英寸,采用2 oz.盎斯的铜,而允许温升30 度,
那查表可知, 最大安全电流是 4.0A 。

2. 同步开关噪声的问题。
同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise,简称SSN)是指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,所以也称为Δi 噪声。开关速度越快,瞬间电流变化越显著,电流回路上的电感越大,则产生的SSN 越严重。基本公式为:
VSSN=N·LLoop·(dI/dt) 公式1。


其中I 指单个开关输出的电流,N 是同时开关的驱动端数目,LLoop为整个回流路径上的电感,而VSSN就是同步开关噪声的大小。


如果是由于封装电感而引起地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致,芯片的地被抬高这种现象我们称为地弹(Groundbounce)。同样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源被降低,就称为电源反弹(PowerBounce)。如果芯片内部多个驱动同时开关时,会造成很大的芯片电源电压的压降和地平面的抬高,从而造成芯片的驱动能力的降低,电路速度会减慢。由公式1 可知减小回路电感可以减小VSSN,其中回路电感包括芯片管脚的寄生电感,芯片内部电源和芯片内部地的电感,系统的电源和地的电感,以及信号线自身的电感,这四部分组成。所以见小VSSN 的办法主要有以下几种方式。


a : 降低芯片内部驱动器的开关速率和同时开关的数目,以减小di/dt,不过这种方式不现实,因为电路设计的方向就是更快,更密。
b : 降低系统供给电源的电感,高速电路设计中要求使用单独的电源层,并让电源层和地平面尽量接近。
c :降低芯片封装中的电源和地管脚的电感,比如增加电源/地的管脚数目,减短引线长度,尽可能采用大面积铺铜。
d :增加电源和地的互相耦合电感也可以减小回路总的电感,因此要让电源和地的管脚成对分布,并尽量靠近。

3. 地的分割原则
任何一根信号线中的电流都要通过和它临近的地平面来回到它的驱动端,所以我们进行地的分割的时候要避免避免割断高速信号的回留路径,如下图所示:
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上面的信号回路的电流不得不绕过分割槽,这样会产生很多相关的EMI 问题,以及会给信号线的阻抗匹配产生影响。



三:不同传输线路的设计规则


根据信号线所处印制版中的层叠位置可以将信号线分为微带线和带状线,其中微带线是指在PCB 的表层所走的线,有一层介质和它相临,信号传输速度较带状线要快,带状线在PCB 的内层,有两层介质相临,信号传输速度比微带线要慢,但是EMI,EMC 以及串扰等性能要好的多,所以建议高速信号都走成带状线。


根据信号线传输信号的方式最常见的有两种方式包括单端线和差分线。其中影响单端线传输性能的包括信号的反射和串扰。差分线虽然噪声免疫,但对阻抗控制,差分对间的线长要有严格的控制。下面分别对影响单端线和差分线性能的因素进行一下分析。


1. 单端线反射的形成以及消除办法
我们知道如果源端的阻抗和终端的阻抗相匹配那么信号的功率将会是最大,如果终端和源端阻抗不匹配则将会引起信号的反射,部分信号还会辐射出去造成EMI 问题。

那么什么时候反射不用考虑,什么时候不得不考虑呢?如图点击在新窗口中浏览此图片所示,假设信号从源端由高电平变为低电平传输出去,信号传输延时为Tp,(有的文档将沿跳变时间<=四分之一Tp 做为把信号线看成微波中传输线的条件)如果2Tp 小于信号沿的跳边时间的话,反射因素就不用考虑,因为不会影响电平的判断,只会使沿的跳变不规则。相反的如果2Tp 大于信号沿跳变的时间,那么反射会在发射端形成振铃现象,会影响到电平的判断,所以要考虑影响。信号线在介质中的传输速度为:
点击在新窗口中浏览此图片公式2
公式2 为信号线为带状线时的传输公式。当信号线为微带线时,传输的介电常数的计算公式为:
点击在新窗口中浏览此图片公式3
如果信号线过长则反射因素就不得不考虑。解决的办法可以在线上串一个小欧姆阻值的电阻,还可以并一个小容值的电容,不过这种方法不太现实。图5 为串联电阻之前的波形,图6 为串联电阻之后的波形。

2. 影响信号间串扰的因素及解决办法。
串扰是信号传输中常见的问题,有些说法只要控制间距是线宽的3 倍就可以了,也就是常说的3W 原则,这种说法只是说间距越大越好,但还是不够全面。

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由上图可知除了和线间距D 有关,还和走线层和参考平面的高度H有关。D 越大越好,H 越小越好。随着PCB 的密度越来越高,有时候不能满足3W 原则,这就要根据系统的实际情况,看多大的串扰能够忍受,另外由于工艺的原因H 也不能太小,一般都不要小于5mil。

3. 差分线阻抗匹配和走线应注意事项
现今LVDS 走线越来越流行,主要原因是因为它是采用一对线对一个信号进行传输,其中一根上传输正信号,另一根上传输相反的电平,在接收端相减,这样可以把走线上的共模噪声消除。另外就是因为它的低功耗,LVDS 一般都采用电流驱动,电压幅度才350mvpp。


当然它也有缺点就是需要2 倍宽度的走线数来传输数据。
差分线一般传输信号的速度都比较快,所以要进行严格的阻抗控制,一般都控制在100 欧姆。下图为一个差分传输模型,其中Z11和Z22 分别为两跟信号线的特性阻抗,K 为另外一跟线对自己的耦合系数。I 为线上的电流。

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1 线上任意一点的电压为V1=Z11*i1+Z11*i1*K
2 线上任意一点的电压为 V2=Z22*i2+Z22*i2*K 因为Z11=Z22=Z0,
i1=-i2,所以V1 和V2 大小相等方向相反。所以差分阻抗为
Zdiff=2*Z0*(1-K) 公式4
由公式4 可知差分阻抗不仅和单跟线的特性阻抗Z0 有关,还和耦合系数K 有关,所以调整线宽,间距,介电常数,电介质厚度,都会影响到差分阻抗。


另外差分线大多应用在源同步时钟系统当中,这就要求数据线和时钟线的长度要匹配,类外由差分线自身的特性要求一对之间的两跟线要匹配。下图上面的为等长的理想的差分线在接收端的情形。可以看到两跟线完全等延时,再相减之后不会出现误码。而下面的图为其中一跟线的延时比另一跟要长的情形,这样再相减误码很容易产生。

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图11

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图12
由于布线工具和器件本身以及工艺的原因很难做到没一对线和对与对之间的线都匹配,至于相差多少合适,并没有严格的公式,即使有也要具体情况具体分析,不可能都使用。根据以往的调试经验当信号工作在500MHZ~~800MHZ 之间时,对内相差80mil,对间和时钟相差+-250mil,不会出现问题。(仅做参考)。

四:电磁干扰的产生及避免措施


EMI 即电磁辐射是很常见的问题,主要减少电磁辐射的办法有以下几种方法:
a :屏蔽。在比较敏感或高速的信号周围用地平面进行屏蔽,每格1000mil 打一个地孔。
b :避免或减小信号的环路面积。由电磁场理论可知变化的电场产生变化的磁场,当开关频率很高的时候,会由环路向外辐射电磁能量,也容易接收外面的磁场,就象是一个天线,所以应该尽量避免。
c :做好电源的滤波。滤波的器件主要包括磁珠和电容。磁珠类似带通滤波器,可以抑制高频,选择不同容值的电容可以针对不同频率的滤波起到旁路作用。

五:总结


随着PCB 密度,速度的提高,以及工艺方面的限制,信号完整性问题,以及电磁兼容问题会越来越突出,但只要我们依据一定的设计准则,通过一些仿真软件比如说Hyperlynx,还是可以把高速设计问题很好的解决。
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