返回路径平面上的间隙_《学习笔记》--高速电路PCB设计要点

随着器件尺寸的减小，器件引脚信号变化沿的速率变得越来越高，以至于SI(Signal Integrity，信号完整性)问题称为高速电路设计中必须面对的主要问题。一般而言，SI与以下几个因素有关：反射、串扰、辐射。反射是由信号传输路径上的阻抗不连续造成的；串扰与信号的间距有关；辐射则与高速器件自身以及PCB设计均有关。

1、PCB设计与信号完整性

1)信号阻抗匹配

信号的阻抗匹配是影响信号完整性最主要的因素。

对于传输线，必须考虑在信号传输路径上阻抗不匹配而带来的反射，信号的反射可利用反射系数

计算：

式中，

--反射点之后的线路阻抗；

--反射点之前的线路阻抗。

注：始端、传输路径、终端阻抗的不匹配，都会造成信号的反射。需尽可能减少反射系数

，即要求

尽可能地等于

。通过在电路上增加元器件以减少

的方法，称为阻抗匹配设计。电路设计中常用的匹配方式有五种：发送端串联匹配、接收端并联匹配、接收端分压匹配、接收端阻容并联匹配、接收端二极管并联匹配，如图1所示。图1 五种阻抗匹配方法

2)信号回路

信号的传输路径是由两条方向相反的路径构成，一条是驱动路径，由发送端指向接收端，一条是返回路径，由接收端指向发送端。图2 信号回路

注：信号传输时，驱动路径即为信号的PCB走线，返回时则选择与驱动路径阻抗最小的路径。返回路径的选择方式如图3所示。图3 返回路径的选择

信号层的路径将寻找与自身阻抗最小的层作为参考平面，与该信号层距离越近、且平面越完整的层将被选为参考平面。在参考平面上，返回路径的选择仍将遵循与驱动路径阻抗最小的原则：在A段，参考平面完整，返回路径完全平行于驱动路径；

在B段，由于存在间隙，从而造成信号路径上阻抗的不连续，将造成信号电平的突变，同时还会引起信号返回路径上的串扰。

注：信号回路与参考平面的选择密切相关，一般而言，高速信号应选择完整的地平面作为参考平面，如果受层叠结构的限制，高速信号所在层距离地层较远，也应该选择完整的电源平面作为参考平面；若受布局和不限的限制，PCB上无法提供完整的地平面或电源平面，那至少应确保与高速信号驱动路径相对应的返回路径上无电气间断。

信号换层实例，如图4所示。图4 信号换层时返回路径示例

3)器件内核多感知到的电源或地相对PCB电源或地平面的电平波动称为地弹。保持信号回路的低阻抗，同样有利于减少地弹。

4)串扰

串扰是指信号线之间由互感、互容而引起的耦合，由于这总耦合的存在，当某一信号线发生电平的翻转时，在附近的信号线上将感应到一定程度的噪声。抑制噪声的方法：控制高速信号线之间的间距和平行走线的长度，多个高速信号长距离平行走线时，其间距应遵循3W原则，如图5所示。图5 3W原则

3W原则指两相邻信号线的中心距不少于信号线线宽的3倍，当满足3W原则时，信号之间由互感、互容而产生的互扰可减少70%降低信号的边沿速率。

5)微带线和带状线微带线指走线在PCB表层，且仅与一个参考层相邻的信号线；

带状线指走线在PCB内层，位于两个参考线之间的信号线。

注：在设计中，高速信号的走线应尽量采用带状线而不是微带线。

6)盲孔、埋孔技术图6 盲孔、埋孔和通孔

优点：盲孔、埋孔的出现，使更高密度的单成为可能；

盲孔、埋孔有助于提高信号完整性；

7)布线

布线的方式同样影响着信号完整性。

(1)尽量避免在走线的拐角处出现尖角。如图7所示。图7 四种布线方法比较

(2)尽量避免布线过程中线宽的变化(应避免出现线宽不一致的现象)。

(3)蛇形线，为了时序的要求，经常需要绕线以满足信号的长度，蛇形线是绕线时常用的手段，但应注意：平行线的长度和线段之间的间距，对信号完整性和时序都有影响。(应满足3W原则；高频关键信号尽量不走蛇形线)

(4)谨慎控制高速信号过孔的数目。

(5)走线分叉--stub

为减少stub，需要注意：信号分叉处用电阻间隔；

高速信号线上过孔引入的stub；

8)总结信号完整性的设计需要关注的要点：阻抗匹配、回路的连续性和无阻隔、地弹、串扰等；

高速信号采用带状线，在成本允许的情况下，采用盲孔、埋孔技术，有利于获得更好的信号完整性；

在布线的过程中，应注意避免出现尖角和线宽的变化，绕蛇形线时同样应注意3W的原则；

不能忽略过孔引入的stub.

2、PCB设计与电源完整性

在高速设计中，器件低电压、高电流成为一种趋势。

定义电源平面的目标阻抗：

式中，

--纹波电压的波动范围；

动态电流的波动范围。

电源完整性设计的目的：使单板上各处电源与地平面之间的阻抗低于目标阻抗

，如何控制电源与地平面之间的阻抗，是电源完整性设计的关键。

设计要点：

1)电源与地层之间的间距，减小电源层与地层之间的间距，有利于减小电源平面的阻抗。

2)电容的引脚引线

电容的作用：①为噪声等干扰提供到地的低阻抗通路；②为电流波动较大的器件提供本地电源“小池塘”。

在低于谐振频率的频段内，电容表现为容性，反之则表现为感性，而电容的引脚的引线长度在很大程度上决定了谐振频率点的位置。引线越长，电感性越大，则谐振频率点越低。图8 去耦电容的引线图9 增强的去耦电容引脚引线方法

3)花焊盘的使用，电源过孔应尽量采用花焊盘过孔，可以提高通流能力，有效散热。

4)通流能力的计算(主要考虑：电源过孔的通流能力，电源平面的通流能力)

其中，

--最大通流，单位安培(A)；

--降额参数，外层取0.048，内层取0.024；

--通流路径上最大容许的温升，单位为

；

--通流路径的横截面积，单位是平方米尔(

)。

注：一旦出现通流能力不足的情况，可能导致：①电源平面过热，影响电源完整性；②接收端器件的电源输入欠佳。

在应用过程中，还应注意：公式只能用于参考，必须充分降额后才能用对于设计的指导；

谨慎地对各项参数的取值，最高容许温升T的取值，分内层和外层；

过孔的存在将减少通流路径的横截面积，当路径上存在较多其他信号的过孔时，应相应地增大路径的宽度；

过孔的将外经与内径之间的面积作为通流横截面积。

3、EMC，电磁兼容性，指在特定电磁环境下，电子设备(或电子元器件)之间相互协调工作的能力。包括EMI(电磁干扰)和EMS(电磁敏感度)；WMI，指电子设备(或电子元器件)在工作时，产生的不利于其他设备的电磁能量。EMI包括传导干扰(CE)，辐射干扰(RE)，谐波干扰等；

EMS，指电子设备在工作时，应能承受的外部其他设备的电磁干扰能量，包括传导敏感度(CS)、辐射敏感度(RS)、静电放电(ESD)、浪涌(Surge)，电压跌落测试(DIP)等。

EMC设计，应着重在三个方面入手：隔离干扰源、切断干扰传输路径、保护受扰体。