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輕松掌握PCB設(shè)計(jì)的“葵花寶典”【上篇】

發(fā)布時(shí)間:2014-10-20 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】PCB設(shè)計(jì)包含很多方面,而它的走線、阻抗控制、可靠性設(shè)計(jì)以及地線設(shè)計(jì)都是需要工程師們掌握的。這里小編先將針對(duì)實(shí)際布線中可能遇到的一些情況,分析其合理性,給出一些比較優(yōu)化的PCB走線策略,和PCB阻抗控制控制的相關(guān)內(nèi)容。
 
一、PCB Layout中的走線策略
 
布線(Layout)是PCB設(shè)計(jì)工程師最基本的工作技能之一。走線的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能,大多數(shù)高速的設(shè)計(jì)理論也要最終經(jīng)過 Layout得以實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證,由此可見,布線在高速PCB設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。下面將針對(duì)實(shí)際布線中可能遇到的一些情況,分析其合理性,并給出一些比較優(yōu)化的走線策略。主要從直角走線,差分走線,蛇形線等三個(gè)方面來闡述。
 
1. 直角走線
 
直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況,也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一,那么直角走線究竟會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生多大的影響呢?從原理上說,直角走線會(huì)使傳輸線的線寬發(fā)生變化,造成阻抗的不連續(xù)。其實(shí)不光是直角走線,頓角,銳角走線都可能會(huì)造成阻抗變化的情況。
直角走線
直角走線的對(duì)信號(hào)的影響就是主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載,減緩上升時(shí)間;二是阻抗不連續(xù)會(huì)造成信號(hào)的反射;三是直角尖端產(chǎn)生的EMI。
 
很多人對(duì)直角走線都有這樣的理解,認(rèn)為尖端容易發(fā)射或接收電磁波,產(chǎn)生EMI,這也成為許多人認(rèn)為不能直角走線的理由之一。然而很多實(shí)際測(cè)試的結(jié)果 顯示,直角走線并不會(huì)比直線產(chǎn)生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能,測(cè)試水平制約了測(cè)試的精確性,但至少說明了一個(gè)問題,直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本 身的測(cè)量誤差。
 
總的說來,直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的應(yīng)用中,其產(chǎn)生的任何諸如電容,反射,EMI等效應(yīng)在TDR測(cè)試中幾乎體現(xiàn)不出來, 高速PCB設(shè)計(jì)工程師的重點(diǎn)還是應(yīng)該放在布局,電源/地設(shè)計(jì),走線設(shè)計(jì),過孔等其他方面。當(dāng)然,盡管直角走線帶來的影響不是很嚴(yán)重,但并不是說我們以后都 可以走直角線,注意細(xì)節(jié)是每個(gè)優(yōu)秀工程師必備的基本素質(zhì),而且,隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展,PCB工程師處理的信號(hào)頻率也會(huì)不斷提高,到10GHz以上的 RF設(shè)計(jì)領(lǐng)域,這些小小的直角都可能成為高速問題的重點(diǎn)對(duì)象。
 
2. 差分走線
 
差分信號(hào)(Differential Signal)在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛,電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),什么另它這么倍受青睞呢?在PCB設(shè)計(jì)中又如何能保證其良好的性能呢?帶著這兩個(gè)問題,我們進(jìn)行下一部分的討論。
 
何為差分信號(hào)?通俗地說,就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào),接收端通過比較這兩個(gè)電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。
差分走線
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差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比,最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
 
a.抗干擾能力強(qiáng),因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好,當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí),幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上,而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值,所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。
 
b.能有效抑制EMI,同樣的道理,由于兩根信號(hào)的極性相反,他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消,耦合的越緊密,泄放到外界的電磁能量越少。
 
c. 時(shí)序定位精確,由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn),而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷,因而受工藝,溫度的影響小,能降低時(shí)序上的誤差,同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。
 
3. 蛇形線
 
蛇形線是Layout中經(jīng)常使用的一類走線方式。其主要目的就是為了調(diào)節(jié)延時(shí),滿足系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)者首先要有這樣的認(rèn)識(shí):蛇形線會(huì)破壞信號(hào)質(zhì)量,改變傳輸延時(shí),布線時(shí)要盡量避免使用。但實(shí)際設(shè)計(jì)中,為了保證信號(hào)有足夠的保持時(shí)間,或者減小同組信號(hào)之間的時(shí)間偏移,往往不 得不故意進(jìn)行繞線。
3. 蛇形線
那么,蛇形線對(duì)信號(hào)傳輸有什么影響呢?走線時(shí)要注意些什么呢?其中最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)就是平行耦合長(zhǎng)度(Lp)和耦合距離(S),如圖1-8-21所示。很明顯,信號(hào)在蛇形走線上傳輸時(shí),相互平行的線段之間會(huì)發(fā)生耦合,呈差模形式,S越小,Lp越大,則耦合程度也越大。
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二、PCB阻抗控制
 
隨著 PCB 信號(hào)切換速度不斷增長(zhǎng),當(dāng)今的 PCB 設(shè)計(jì)廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應(yīng)于現(xiàn)代數(shù)字電路較短的信號(hào)傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率,PCB 跡線不再是簡(jiǎn)單的連接,而是傳輸線。
 
在實(shí)際情況中,需要在數(shù)字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過300Mhz時(shí)控制跡線阻抗。PCB 跡線的關(guān)鍵參數(shù)之一是其特性阻抗(即波沿信號(hào)傳輸線路傳送時(shí)電壓與電流的比值)。印制電路板上導(dǎo)線的特性阻抗是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo),特別是在高頻電路的PCB設(shè)計(jì)中,必須考慮導(dǎo)線的特性阻抗和器件或信號(hào)所要求的特性阻抗是否一致,是否匹配。這就涉及到兩個(gè)概念:阻抗控制與阻抗匹配,本文重點(diǎn)討論阻抗控制和疊層設(shè)計(jì)的問題。
 
阻抗控制
 
阻抗控制(eImpedance Controling),線路板中的導(dǎo)體中會(huì)有各種信號(hào)的傳遞,為提高其傳輸速率而必須提高其頻率,線路本身若因蝕刻,疊層厚度,導(dǎo)線寬度等不同因素,將會(huì)造成阻抗值得變化,使其信號(hào)失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體,其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi),稱為“阻抗控制”。
 
PCB 跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有: 銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB 阻抗的范圍是 25 至120 歐姆。
 
在實(shí)際情況下,PCB 傳輸線路通常由一個(gè)導(dǎo)線跡線、一個(gè)或多個(gè)參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結(jié)構(gòu),并且控制阻抗也可以采用各種方式來構(gòu)建。但是,無論使用什么方式,阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定:
 
· 信號(hào)跡線的寬度和厚度
 
· 跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度
 
· 跡線和板層的配置
 
· 內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)
 
PCB傳輸線主要有兩種形式:微帶線(Microstrip)與帶狀線(Stripline)。
 
微帶線(Microstrip):
 
微帶線是一根帶狀導(dǎo)線,指只有一邊存在參考平面的傳輸線,頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中(也可上敷涂覆層),位于絕緣常數(shù) Er 線路板的表面之上,以電源或接地層為參考。如下圖所示:
3. 蛇形線
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注意:在實(shí)際的PCB制造中,板廠通常會(huì)在PCB板的表面涂覆一層綠油,因此在實(shí)際的阻抗計(jì)算中,通常對(duì)于表面微帶線采用下圖所示的模型進(jìn)行計(jì)算:
3. 蛇形線
帶狀線(Stripline):
 
帶狀線是置于兩個(gè)參考平面之間的帶狀導(dǎo)線,如下圖所示,H1和H2代表的電介質(zhì)的介電常數(shù)可以不同。
上述兩個(gè)例子只是微帶線和帶狀線的一個(gè)典型示范,具體的微帶線和帶狀線有很多種,如覆膜微帶線等,都是跟具體的PCB的疊層結(jié)構(gòu)相關(guān)。
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用于計(jì)算特性阻抗的等式需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,通常使用場(chǎng)求解方法,其中包括邊界元素分析在內(nèi),因此使用專門的阻抗計(jì)算軟件SI9000,我們所需做的就是控制特性阻抗的參數(shù):
 
絕緣層的介電常數(shù)Er、走線寬度W1、W2(梯形)、走線厚度T和絕緣層厚度H。
對(duì)于W1、W2的說明:
 
此處的W=W1,W1=W2.
 
規(guī)則:W1=W-A
 
W—-設(shè)計(jì)線寬
 
A—–Etch loss (見上表)
 
走線上下寬度不一致的原因是:PCB板制造過程中是從上到下而腐蝕,因此腐蝕出來的線呈梯形。

PCB的可靠性設(shè)計(jì)以及地線設(shè)計(jì)將在下次接著為大家分享。
 
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