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專家解答,教你突破高速PCB設(shè)計瓶頸

發(fā)布時間:2013-10-29 責任編輯:eliane

【導讀】PCB系統(tǒng)不斷地向著高密度和高速度的趨勢發(fā)展,信號完整性、EMC等問題越來越突出,工程師在設(shè)計出完整的解決方案上面臨的挑戰(zhàn)也越來越大,本文根據(jù)以往的一些經(jīng)驗對高速PCB的設(shè)計提出一些看法,幫助工程師們突破傳統(tǒng)設(shè)計瓶頸。

隨著器件工作頻率越來越高,高速PCB設(shè)計所面臨的信號完整性等問題成為傳統(tǒng)設(shè)計的一個瓶頸,工程師在設(shè)計出完整的解決方案上面臨越來越大的挑戰(zhàn)。盡管有關(guān)的高速仿真工具和互連工具可以幫助設(shè)計設(shè)計師解決部分難題,但高速PCB設(shè)計中也更需要經(jīng)驗的不斷積累及業(yè)界間的深入交流。

專家解答,教你突破高速PCB設(shè)計瓶頸

下面列舉的是其中一些廣受關(guān)注的問題。

布線拓樸對信號完整性的影響

當信號在高速PCB板上沿傳輸線傳輸時可能會產(chǎn)生信號完整性問題。意法半導體的網(wǎng)友tongyang問:對于一組總線(地址,數(shù)據(jù),命令)驅(qū)動多達4、5個設(shè)備(FLASH、SDRAM等)的情況,在PCB布線時,是總線依次到達各設(shè)備,如先連到SDRAM,再到FLASH……還是總線呈星型分布,即從某處分離,分別連到各設(shè)備。這兩種方式在信號完整性上,哪種較好?

對此,李寶龍指出,布線拓撲對信號完整性的影響,主要反映在各個節(jié)點上信號到達時刻不一致,反射信號同樣到達某節(jié)點的時刻不一致,所以造成信號質(zhì)量惡化。一般來講,星型拓撲結(jié)構(gòu),可以通過控制同樣長的幾個分支,使信號傳輸和反射時延一致,達到比較好的信號質(zhì)量。在使用拓撲之間,要考慮到信號拓撲節(jié)點情況、實際工作原理和布線難度。不同的Buffer,對于信號的反射影響也不一致,所以星型拓撲并不能很好解決上述數(shù)據(jù)地址總線連接到FLASH和SDRAM的時延,進而無法確保信號的質(zhì)量;另一方面,高速的信號一般在DSP和SDRAM之間通信,F(xiàn)LASH加載時的速率并不高,所以在高速仿真時只要確保實際高速信號有效工作的節(jié)點處的波形,而無需關(guān)注FLASH處波形;星型拓撲比較菊花鏈等拓撲來講,布線難度較大,尤其大量數(shù)據(jù)地址信號都采用星型拓撲時。

焊盤對高速信號的影響

在PCB中,從設(shè)計的角度來看一個過孔主要由兩部分組成:中間的鉆孔和鉆孔周圍的焊盤。有名為fulonm的工程師請教嘉賓焊盤對高速信號有何影響,對此,李寶龍表示:焊盤對高速信號有影響,其影響類似器件的封裝對器件的影響。詳細的分析,信號從IC內(nèi)出來以后,經(jīng)過邦定線、管腳、封裝外殼、焊盤、焊錫到達傳輸線,這個過程中的所有關(guān)節(jié)都會影響信號的質(zhì)量。但實際分析時,很難給出焊盤、焊錫加上管腳的具體參數(shù)。所以一般就用IBIS模型中的封裝的參數(shù)將他們都概括了,當然這樣的分析在較低的頻率上可以接收,但對于更高頻率信號更高精度仿真就不夠精確?,F(xiàn)在的一個趨勢是用IBIS的V-I、V-T曲線描述Buffer特性,用SPICE模型描述封裝參數(shù)。
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如何抑制電磁干擾

PCB是產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的源頭,所以PCB設(shè)計直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC)。如果在高速PCB設(shè)計中對EMC/EMI予以重視,將有助縮短產(chǎn)品研發(fā)周期加快產(chǎn)品上市時間。因此,不少工程師在此次論壇中非常關(guān)注抑制電磁干擾的問題。例如,無錫祥生醫(yī)學影像有限責任公司的舒劍表示,在EMC測試中發(fā)現(xiàn)時鐘信號的諧波超標十分嚴重,請問是不是要對使用到時鐘信號的IC的電源引腳做特殊處理,目前只是在電源引腳上連接去耦電容。在PCB設(shè)計中還有需要注意哪些方面以抑止電磁輻射呢?對此,李寶龍指出,EMC的三要素為輻射源,傳播途徑和受害體。傳播途徑分為空間輻射傳播和電纜傳導。所以要抑制諧波,首先看看它傳播的途徑。電源去耦是解決傳導方式傳播,此外,必要的匹配和屏蔽也是需要的。

李寶龍也在回答WHITE網(wǎng)友的問題時指出,濾波是解決EMC通過傳導途徑輻射的一個好辦法,除此之外,還可以從干擾源和受害體方面入手考慮。干擾源方面,試著用示波器檢查一下信號上升沿是否太快,存在反射或Overshoot、undershoot或ringing,如果有,可以考慮匹配;另外盡量避免做50%占空比的信號,因為這種信號沒有偶次諧波,高頻分量更多。受害體方面,可以考慮包地等措施。

RF布線是選擇過孔還是打彎布線

此次論壇中,也不有少網(wǎng)友就高速模擬電路設(shè)計提問。如精恒電子的一位網(wǎng)友問:在高速PCB中,過也可以減少很大的回流路徑,但有人說情愿彎一下也不要打過也,那應(yīng)該如何取舍?

對此,李寶龍指出,分析RF電路的回流路徑,與高速數(shù)字電路中信號回流不太一樣。二者有共同點,都是分布參數(shù)電路,都是應(yīng)用Maxwell方程計算電路的特性。但射頻電路是模擬電路,有電路中電壓V=V(t)、電流I=I(t)兩個變量都需要進行控制,而數(shù)字電路只關(guān)注信號電壓的變化V=V(t)。因此,在RF布線中,除了考慮信號回流外,還需要考慮布線對電流的影響。即打彎布線和過孔對信號電流有沒有影響。此外,大多數(shù)RF板都是單面或雙面PCB,并沒有完整的平面層,回流路徑分布在信號周圍各個地和電源上,仿真時需要使用3D場提取工具分析,這時候打彎布線和過孔的回流需要具體分析;高速數(shù)字電路分析一般只處理有完整平面層的多層PCB,使用2D場提取分析,只考慮在相鄰平面的信號回流,過孔只作為一個集總參數(shù)的R-L-C處理。

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