24小時聯系電話:18217114652、13661815404
中文
技術專題
高速PCB設計技術
1.簡介
高速數字電路的需求逐年增加，對可靠高速PCB的需求也在逐年增加。數字PCB電路緊湊地裝有微處理器，電源和許多其他組件，它們的工作頻率容易超過1 GHz。這些系統每秒能夠管理數十億次操作。此設置的性能取決于設計階段的工作，以優化由于高速操作而可能出現的任何問題。高速PCB系統中的典型問題包括阻抗不連續，信號反射，EMI和噪聲產生。本文重點討論此類問題以及在高速PCB設計中應避免的問題。
2.高速PCB的應用
高速PCB是計算機，智能手機等計算設備的核心。這些設備本質上很復雜。因此，期望PCB堅固且可靠。高速電路的應用在通信，航空航天和物聯網領域不斷增長。考慮到應用程序的重要性，在設計高速電路的電路板布局時，必須了解必須遵循的注意事項。典型的高速系統結合了HDMI，PCI Express，USB或SATA等技術。借助這些技術，設計人員將可以應對高速設計的限制。
3.設計注意事項
以下內容被認為是設計高速PCB以便在低功耗環境中實現高速運行的首先選擇技術。
時鐘選擇和優化
最小化來自電網的車載噪聲
最小化信號走線之間的串擾
減少信號反射
針對EMI形式環境和自耦合優化系統
正確的阻抗匹配和線路端接
平面圖–包裝所有組件
4.板材的選擇
板材料的選擇取決于材料的介電常數和損耗角正切。損耗角正切是當電磁波穿過材料時從材料中損失的能量。損耗角正切值越高，能量損耗越大。材料的介電常數為
ε - [R =ε/ε 0
其中ε - [R是介電常數，ε ?是自由空間中（法拉/米）的介電常數ε為在（法拉/米）的材料的介電常數。ε ?值約為8.85×10 -12每米（F / m）的法拉。介電常數決定了材料提供的阻抗，并且信號可以在介電常數較低的材料中更快地傳播。PCB設計中使用的典型介電材料是FR4。它的介電常數介于4.1和4.5之間，損耗正切值為0.019 @ 1MHz。
4.1。微帶設計
單個接地平面上的信號走線的行為類似于微尖線布局，而兩個接地平面之間的信號走線則充當帶狀線布局。微帶線的特性阻抗由下式給出為了獲得相同的阻抗值，帶狀線布局中的電介質跨度必須比微帶狀布局更大，因此，帶狀線往往比微帶狀布局更厚。
4.2。地平面設計
PCB中的接地層有助于屏蔽，散熱，通用參考電壓并減少雜散電容。電路中的電流在低阻抗路徑中趨于降低。在非常高的頻率下，快速上升的信號邊沿耦合到接地層，從而在接地層中產生電流尖峰。該電流尖峰會損壞PCB的模擬性能。隨著輸入雜散電容的增加，下面的地平面的存在會影響更多的高速運算放大器。為避免這些情況，數字設備，模擬設備和接地層之間應保持適當的距離。不太敏感的電鍍金屬可以用作接地層。
5.電源和時鐘設計
電源是PCB電路中板載低頻噪聲的重要來源。通過使用并聯電容器將電源層連接到接地層，可以確保高速系統中的電源完整性。不同值的并聯電容器可確保在很寬的頻率范圍內具有較低的交流阻抗。數字和模擬設備應使用單獨的電源層，以很大程度地減少噪聲耦合。
時鐘選擇對于確保PCB布局上的所有信號都相對于時鐘信號在正確的時間到達非常重要。時鐘不正確可能會導致上升沿檢測或下降沿檢測問題。這將導致數據損壞。時鐘速度決定了整個系統的速度。
通過穿過連接線和導線的寄生電感，寄生電阻和寄生電容，平面規劃和裝箱對噪聲，通信延遲，邊沿速率和頻率響應具有重大影響。芯片設計，封裝設計和板級設計應與原理圖設計一起完成。可以在物理部署之前使用軟件仿真對電路進行平面布置。從一開始就指定組件的位置和信號路由，有助于設計人員確保設計能夠按預期的方式工作。這降低了成本和返工時間，從而減少了產品的周期時間。
6.信號完整性
PCB由各種頻率不同的信號組成，包括模擬和數字。這些信號對噪聲和耦合敏感。在布線，屏蔽和阻抗匹配方面必須格外小心，以確保信號完整性。
6.1。路由
下面列出了路由過程中要遵循的某些準則
高頻時鐘走線應盡可能平直。在需要彎曲的情況下，弧形彎曲比直角彎曲更可取，以避免由于不連續而造成的信號損失。
終止時鐘信號，這將有助于很大程度地減少反射。
敏感的信號走線需要高度隔離，因此應在單獨的層上布線。
帶狀線的長時間平行運行減少了同一板上信號走線的近距離。這將減少電感耦合。
避免使用多個通孔，因為它們會引起阻抗不匹配并增加電感。
6.2。阻抗匹配
發射器和接收器之間的阻抗匹配將直接影響信號的完整性。線路匹配不當會產生信號反射和信號損失。源阻抗（ZS）必須等于走線阻抗（Zo）和負載阻抗（ZL）。正確終止傳輸線可確保匹配和信號完整性。
7. EMI優化
影響設備的EMI可能是由于自身耦合或與周圍其他電子設備相互耦合造成的。可以使用某些技術在高速電路中優化EMI。
7.1。匹配和路由
未匹配或未終止的信號跡線會引起反射。這導致信號回鈴到源。這是一種自EMI。正確匹配可確保消除信號振鈴。正確的布線還可以降低自耦合EMI。
7.2。EMI濾波器和屏蔽
PCB中的屏蔽使用細長的接地層完成。接地平面導電表面上的集膚效應降低了外部EMI，從而導致電路中的信號干擾。EMI濾波器用于濾除環境EMI噪聲并將其耦合到地面。一個簡單的去耦電容器設置可以用作EMI濾波器。
8.結論
在高速PCB設計中，必須在開始物理布局過程之前計劃所有事情。良好的原理圖是良好布局的基礎。電源位置，路由，信號完整性，阻抗匹配等因素是PCB設計期間需要解決的重要考慮因素。較高的效率的設計和實現將增強PCB的可靠性和堅固性。