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    輕松掌握PCB設計的“葵花寶典”【上篇】

    發布時間:2014-10-20 責任編輯:sherryyu

    【導讀】PCB設計包含很多方面,而它的走線、阻抗控制、可靠性設計以及地線設計都是需要工程師們掌握的。這里小編先將針對實際布線中可能遇到的一些情況,分析其合理性,給出一些比較優化的PCB走線策略,和PCB阻抗控制控制的相關內容。
     
    一、PCB Layout中的走線策略
     
    布線(Layout)是PCB設計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系統的性能,大多數高速的設計理論也要最終經過 Layout得以實現并驗證,由此可見,布線在高速PCB設計中是至關重要的。下面將針對實際布線中可能遇到的一些情況,分析其合理性,并給出一些比較優化的走線策略。主要從直角走線,差分走線,蛇形線等三個方面來闡述。
     
    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準之一,那么直角走線究竟會對信號傳輸產生多大的影響呢?從原理上說,直角走線會使傳輸線的線寬發生變化,造成阻抗的不連續。其實不光是直角走線,頓角,銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況。
    直角走線
    直角走線的對信號的影響就是主要體現在三個方面:一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間;二是阻抗不連續會造成信號的反射;三是直角尖端產生的EMI。
     
    很多人對直角走線都有這樣的理解,認為尖端容易發射或接收電磁波,產生EMI,這也成為許多人認為不能直角走線的理由之一。然而很多實際測試的結果 顯示,直角走線并不會比直線產生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能,測試水平制約了測試的精確性,但至少說明了一個問題,直角走線的輻射已經小于儀器本 身的測量誤差。
     
    總的說來,直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的應用中,其產生的任何諸如電容,反射,EMI等效應在TDR測試中幾乎體現不出來, 高速PCB設計工程師的重點還是應該放在布局,電源/地設計,走線設計,過孔等其他方面。當然,盡管直角走線帶來的影響不是很嚴重,但并不是說我們以后都 可以走直角線,注意細節是每個優秀工程師必備的基本素質,而且,隨著數字電路的飛速發展,PCB工程師處理的信號頻率也會不斷提高,到10GHz以上的 RF設計領域,這些小小的直角都可能成為高速問題的重點對象。
     
    2. 差分走線
     
    差分信號(Differential Signal)在高速電路設計中的應用越來越廣泛,電路中最關鍵的信號往往都要采用差分結構設計,什么另它這么倍受青睞呢?在PCB設計中又如何能保證其良好的性能呢?帶著這兩個問題,我們進行下一部分的討論。
     
    何為差分信號?通俗地說,就是驅動端發送兩個等值、反相的信號,接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。
    差分走線
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    差分信號和普通的單端信號走線相比,最明顯的優勢體現在以下三個方面:
     
    a.抗干擾能力強,因為兩根差分走線之間的耦合很好,當外界存在噪聲干擾時,幾乎是同時被耦合到兩條線上,而接收端關心的只是兩信號的差值,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,由于兩根信號的極性相反,他們對外輻射的電磁場可以相互抵消,耦合的越緊密,泄放到外界的電磁能量越少。
     
    c. 時序定位精確,由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點,而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷,因而受工藝,溫度的影響小,能降低時序上的誤差,同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指這種小振幅差分信號技術。
     
    3. 蛇形線
     
    蛇形線是Layout中經常使用的一類走線方式。其主要目的就是為了調節延時,滿足系統時序設計要求。設計者首先要有這樣的認識:蛇形線會破壞信號質量,改變傳輸延時,布線時要盡量避免使用。但實際設計中,為了保證信號有足夠的保持時間,或者減小同組信號之間的時間偏移,往往不 得不故意進行繞線。
    3. 蛇形線
    那么,蛇形線對信號傳輸有什么影響呢?走線時要注意些什么呢?其中最關鍵的兩個參數就是平行耦合長度(Lp)和耦合距離(S),如圖1-8-21所示。很明顯,信號在蛇形走線上傳輸時,相互平行的線段之間會發生耦合,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 信號切換速度不斷增長,當今的 PCB 設計廠商需要理解和控制 PCB 跡線的阻抗。相應于現代數字電路較短的信號傳輸時間和較高的時鐘速率,PCB 跡線不再是簡單的連接,而是傳輸線。
     
    在實際情況中,需要在數字邊際速度高于1ns或模擬頻率超過300Mhz時控制跡線阻抗。PCB 跡線的關鍵參數之一是其特性阻抗(即波沿信號傳輸線路傳送時電壓與電流的比值)。印制電路板上導線的特性阻抗是電路板設計的一個重要指標,特別是在高頻電路的PCB設計中,必須考慮導線的特性阻抗和器件或信號所要求的特性阻抗是否一致,是否匹配。這就涉及到兩個概念:阻抗控制與阻抗匹配,本文重點討論阻抗控制和疊層設計的問題。
     
    阻抗控制
     
    阻抗控制(eImpedance Controling),線路板中的導體中會有各種信號的傳遞,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,導線寬度等不同因素,將會造成阻抗值得變化,使其信號失真。故在高速線路板上的導體,其阻抗值應控制在某一范圍之內,稱為“阻抗控制”。
     
    PCB 跡線的阻抗將由其感應和電容性電感、電阻和電導系數確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有: 銅線的寬度、銅線的厚度、介質的介電常數、介質的厚度、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。
     
    在實際情況下,PCB 傳輸線路通常由一個導線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質組成。跡線和板層構成了控制阻抗。PCB 將常常采用多層結構,并且控制阻抗也可以采用各種方式來構建。但是,無論使用什么方式,阻抗值都將由其物理結構和絕緣材料的電子特性決定:
     
    · 信號跡線的寬度和厚度
     
    · 跡線兩側的內核或預填材質的高度
     
    · 跡線和板層的配置
     
    · 內核和預填材質的絕緣常數
     
    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線,指只有一邊存在參考平面的傳輸線,頂部和側邊都曝置于空氣中(也可上敷涂覆層),位于絕緣常數 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
    [page]
     
    注意:在實際的PCB制造中,板廠通常會在PCB板的表面涂覆一層綠油,因此在實際的阻抗計算中,通常對于表面微帶線采用下圖所示的模型進行計算:
    3. 蛇形線
    帶狀線(Stripline):
     
    帶狀線是置于兩個參考平面之間的帶狀導線,如下圖所示,H1和H2代表的電介質的介電常數可以不同。
    上述兩個例子只是微帶線和帶狀線的一個典型示范,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的疊層結構相關。
    [page]
    用于計算特性阻抗的等式需要復雜的數學計算,通常使用場求解方法,其中包括邊界元素分析在內,因此使用專門的阻抗計算軟件SI9000,我們所需做的就是控制特性阻抗的參數:
     
    絕緣層的介電常數Er、走線寬度W1、W2(梯形)、走線厚度T和絕緣層厚度H。
    對于W1、W2的說明:
     
    此處的W=W1,W1=W2.
     
    規則:W1=W-A
     
    W—-設計線寬
     
    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的可靠性設計以及地線設計將在下次接著為大家分享。
     
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