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高速PCB設(shè)計(jì)中的常見問題及解決方法

高速PCB設(shè)計(jì)中的常見問題及解決方法

2018-04-13 10:27:09

隨著器件工作頻率越來越高,高速PCB設(shè)計(jì)所面臨的信號(hào)完整性等問題成為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)瓶頸,工程師在設(shè)計(jì)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(jì)設(shè)計(jì)師解決部分難題,但高速PCB設(shè)計(jì)中也更需要經(jīng)驗(yàn)的不斷積累及業(yè)界間的深入交流。
   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(hào)完整性的影響
   當(dāng)信號(hào)在高速PCB板上沿傳輸線傳輸時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。意法半導(dǎo)體的網(wǎng)友tongyang問:對于一組總線(地址,數(shù)據(jù),命令)驅(qū)動(dòng)多達(dá)4、5個(gè)設(shè)備(FLASH、SDRAM等)的情況,在PCB布線時(shí),是總線依次到達(dá)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(hào)完整性上,哪種較好?
   對此,李寶龍指出,布線拓?fù)鋵π盘?hào)完整性的影響,主要反映在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上信號(hào)到達(dá)時(shí)刻不一致,反射信號(hào)同樣到達(dá)某節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻不一致,所以造成信號(hào)質(zhì)量惡化。一般來講,星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以通過控制同樣長的幾個(gè)分支,使信號(hào)傳輸和反射時(shí)延一致,達(dá)到比較好的信號(hào)質(zhì)量。在使用拓?fù)渲g,要考慮到信號(hào)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)情況、實(shí)際工作原理和布線難度。不同的Buffer,對于信號(hào)的反射影響也不一致,所以星型拓?fù)洳⒉荒芎芎媒鉀Q上述數(shù)據(jù)地址總線連接到FLASH和SDRAM的時(shí)延,進(jìn)而無法確保信號(hào)的質(zhì)量;另一方面,高速的信號(hào)一般在DSP和SDRAM之間通信,F(xiàn)LASH加載時(shí)的速率并不高,所以在高速仿真時(shí)只要確保實(shí)際高速信號(hào)有效工作的節(jié)點(diǎn)處的波形,而無需關(guān)注FLASH處波形;星型拓?fù)浔容^菊花鏈等拓?fù)鋪碇v,布線難度較大,尤其大量數(shù)據(jù)地址信號(hào)都采用星型拓?fù)鋾r(shí)。
   焊盤對高速信號(hào)的影響
   在PCB中,從設(shè)計(jì)的角度來看一個(gè)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(hào)有何影響,對此,李寶龍表示:焊盤對高速信號(hào)有影響,其影響類似器件的封裝對器件的影響。詳細(xì)的分析,信號(hào)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(dá)傳輸線,這個(gè)過程中的所有關(guān)節(jié)都會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。但實(shí)際分析時(shí),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(dāng)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(hào)更高精度仿真就不夠精確?,F(xiàn)在的一個(gè)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)。
  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(jì)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(jì)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(shí)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(xué)影像有限責(zé)任公司的舒劍表示,在EMC測試中發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的諧波超標(biāo)十分嚴(yán)重,請問是不是要對使用到時(shí)鐘信號(hào)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(jì)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(dǎo)。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(dǎo)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(shí)指出,濾波是解決EMC通過傳導(dǎo)途徑輻射的一個(gè)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(hào)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(hào),因?yàn)檫@種信號(hào)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(jì)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(hào)回流不太一樣。二者有共同點(diǎn),都是分布參數(shù)電路,都是應(yīng)用Maxwell方程計(jì)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(gè)變量都需要進(jìn)行控制,而數(shù)字電路只關(guān)注信號(hào)電壓的變化V=V(t)。因此,在RF布線中,除了考慮信號(hào)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(hào)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(hào)周圍各個(gè)地和電源上,仿真時(shí)需要使用3D場提取工具分析,這時(shí)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(hào)回流,過孔只作為一個(gè)集總參數(shù)的R-L-C處理。


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