高速电路PCB中的散热设计

随着信息技术的飞速发展，电子设备的速度和性能要求越来越高。在这种情况下，高速 PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)应运而生。高速 PCB 是一种专门设计用于高速信号传输的电路板，它在现代电子设备中扮演着至关重要的角色。本文将详细介绍高速 PCB 的概念、特点、设计要求以及应用领域。

电信号也有速度限制-光速，光速非常快。考虑到1GHz 信号的周期为 1ns(1 纳秒)，光的传播速度约为 0.3 m/ns，即 30 cm/ns，意味着在 30 cm 长的导体上，当下一个时钟脉冲在其开始处生成时，1GHz 信号的第一个时钟脉冲刚刚到达导体的另一端。

假设为 3GHz，当第一个脉冲到达导体的另一端时，时钟信号源已经生成第三个脉冲，如果是 3GHz，30cm 导体，意味着单个 30cm 导体在其长度内包含3 个脉冲、3 个高状态和低状态。

数字电路的原理图中，数字信号的传播是从一个逻辑门向另一个逻辑门，信号通过导线从输出端送到接收端，看起来似乎是单向流动的，许多数字工程师因此认为回路通路是不相关的，毕竟，驱动器和接收器都指定为电压模式器件，为什么还要考虑电流呢!实际上，基本电路理论告诉我们，信号是由电流传播的，明确的说，是电子的运动，电子流的特性之一就是电子从不在任何地方停留，无论电流流到哪里，必然要回来，因此电流总是在环路中流动，电路中任意的信号都以一个闭合回路的形式存在。对于高频信号传输，实际上是对传输线与直流层之间包夹的介质电容充电的过程。

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数字电路通常借助于地和电源平面来完成回流。高频信号和低频信号的回流通路是不相同的，低频信号回流选择阻抗最低路径，高频信号回流选择感抗最低的路径。

当电流从信号的驱动器出发，流经信号线，注入信号的接收端，总有一个与之方向相反的返回电流：从负载的地引脚出发，经过敷铜平面，流向信号源，与流经信号线上的电流构成闭合回路。这种流经敷铜平面的电流所引起的噪声频率与信号频率相当，信号频率越高，噪声频率越高。逻辑门不是对绝对的输入信号响应，而是对输入信号和参考引脚间的差异进行响应。单点终结的电路对引入信号和其逻辑地参考平面的差异做出反应，因此地参考平面上的扰动和信号路径上的干扰是同样重要的。逻辑门对输入引脚和指定的参考引脚进行响应，我们也不清楚到底哪个是所指定的参考引脚(对于TTL，通常是负电源，对于ECL通常是正电源，但是并不是全都如此)，就这个性质而言，差分信号的抗干扰能力就能对地弹噪声和电源平面滑动具有良好的效果。当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，这就引起瞬态负载电流从电源流入电路或由电路流入地线，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声(SSN)，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。而当印制板上的电源线和接地线的环绕区域越大时，它们的辐射能量也就越大，因此，我们对数字芯片的切换状态进行分析，采取措施控制回流方式，达到减小环绕区域，辐射程度最小的目的。下图比较经典说明回路的情况：对于借用其它平面做回流的情况，最好能在信号两端适当增加几个小电容到地，提供一个回流通路。但这种做法往往难以实现。因为终端附近的表层空间大多都给匹配电阻和芯片的退耦电容占据了。回流噪声是参考平面上的噪声主要的来源之一。因此需要注意返回电流的路径和流经范围。03

下图中是印制板中的一条线路，在导线上有电流通过，通常，我们只看到了敷在表面的用于传输信号的导线，从驱动端到接收端，实际上，电流总是在环路上才能流动，传输线是我们可以看到的，而电流回流的途径通常是不可见的，他们通常借助于地平面和电源平面流回来，由于没有物理线路，回路途径变得难于估计，要对他们进行控制有一定的难度。

如图3.1所示， PCB板上每条导线和其回路构成一个电流环路，根据电磁辐射原理，当突变的电流流过电路中的导线环路时，将在空间产生电磁场，并对其他导线造成影响，这就是我们通常所说的辐射，为了减少辐射的影响，首先应该了解辐射的基本原理和与辐射强度有关的参数。图3.1 印制板上的差模辐射这些环路相当于正在工作的小天线，向空间辐射磁场。我们用小环天线产生的辐射来模拟它，设电流为I,面积为S的小环，在自由空间为r的远场测得的电场强度为：E――电场(V/m)

f――频率(Hz )

S――面积( m^2)

I――电流(A)

r――距离(m)

式3.1适用于放置在自由空间且表面无反射的小环，实际上我们的产品是在地面进行而非自由空间，附近地面的反射会使测得的辐射增加6dB，考虑到这一点，式3.1必须乘2，如果对地面反射加以修正并假设为最大辐射方向，则式3.1为由式3.2知，辐射与环路电流和环面积成正比，与电流频率的平方成正比。

印刷电路板中返回电流的路径是与电流的频率密切相关的。根据电路基本知识，直流或低频电流总是流向阻抗最小的方向;而高频的电流在电阻一定的情况下，总是流向感抗最小的方向。如果不考虑过孔在敷铜平面上形成的孔、沟的影响，阻抗最小的路径，也就是低频电流的路径，是由地敷铜平面上的弧形线组成，如图3.2。每根弧线上的电流的密度与此弧线上的电阻率有关。图3.2 PCB敷铜平面上高频电流路径对传输线来说，感抗最小的返回路径，也就是高频电流返回路径，就在信号布线的正下方的敷铜平面上，如图3.3。这样的返回路径使得整个回路包围的空间面积最小，也就使得此信号形成的环形天线向空间辐射的磁场强度(或接收空间辐射的能力)最小。

对于比较长、直的布线，可以看作理想的传输线。在其上传播的信号返回电流流经范围是以信号布线为中心轴的带状区域，距离信号布线中心轴距离越远，电流密度越小，如图3.3。这一关系近似满足式3.3 [4]：式3.3其中， I(D)为原始信号电流，单位为“A，安培”;D为信号布线与敷铜平面的距离，单位为“in.，英寸”;H为敷铜平面上的点到信号线的垂直距离，单位为“in.，英寸”;D/H是这一点上的电流密度，单位为“A/in.，安培每英寸”。图3.3 传输线返回电流密度分布图根据式3.3，表3.1列出了流经以传输线中心为中心，宽度为 的带状区域内的返回电流占所有返回电流的百分比。假设英寸，则经过距离传输线0.035英寸以外的区域返回的电流只占所有返回电流的13%，具体分到传输线的一侧只有6.5%，而且密度很小。因此可以忽略不计。小结：1.当信号布线下方具有连续、致密、完整的敷铜平面时，信号返回电流对敷铜平面的噪声干扰是局部的。因此，只要遵循布局、布线局部化的原则，即人为地拉开数字信号线、数字器件与模拟信号线、模拟器件之间的距离到一定程度，可以大幅度降低数字信号返回电流对模拟电路的干扰。2.高频瞬态返回电流，经由与信号走线紧邻的平面(地平面或电源平面)回流到驱动端。驱动器信号走线的终端负载，跨接在信号走线和与信号走线紧邻的平面(地平面或电源平面)之间。3.当印制板上的电源线和接地线的环绕区域越大时，它们的辐射能量也就越大，因此，我们通过控制回流路径，可以使得环绕区域最小，从而控制辐射程度。

高速pcb与一般pcb之间的区别主要体现在信号处理的复杂性、设计要求、材料特性以及应用场景等多个方面。

从信号处理的角度来看，高速PCB主要用于处理高频、高速的信号，其工作频率远高于一般PCB。因此，高速PCB在设计和制造过程中，需要特别关注信号的完整性和时钟同步，以确保信号在高速传输过程中的准确性和稳定性。这涉及到一系列复杂的设计和制造技术，如查分信号布线、阻抗控制和屏蔽技术等。

设计要求方面，高速PCB对布线规则和层次规划的要求更为严格。由于高速信号的传输需要更小的线宽和间距，以减少信号的传播延迟和交叉干扰，高速PCB的布线规则相较于一般PCB更为复杂。此外，高速PCB还需要考虑信号层和电源层的规划，以减少信号串扰和地面回流路径。

在材料特性方面，高速PCB通常采用低介电常数和低损耗材料，这些材料能够有效减少信号传输过程中的能量损耗，保证信号在高速传输过程中的稳定性和完整性。而一般PCB对材料的要求则相对较低。

从应用场景来看，高速PCB广泛应用于需要高速数据传输和处理的领域，如通信设备、服务器、高速计算等。而一般PCB则更多应用于日常电子产品中，如电视、手机、电脑等。

高速PCB设计是现代电子设备设计中的一个重要环节。随着科技的不断发展，大量的高速电子设备被广泛应用于各个领域，如通信、计算机、工业控制等。在这些设备中，高速PCB的设计至关重要，它直接影响到设备的性能和稳定性。在进行高速PCB设计时，需要考虑以下六个方面。

首先，电磁兼容性是高速PCB设计中的一个重要考虑因素。高速信号在传输过程中会产生较大的电磁辐射和敏感度，可能对周围的电子设备产生干扰。因此，在高速PCB设计中，需要采取一系列的措施来减小电磁干扰。例如，合理布局和屏蔽敏感的元器件，使用合适的地线和电源线等。

其次，信号完整性也是高速PCB设计中需要考虑的一个重要因素。在高速信号传输过程中，可能会受到多种因素的影响，如传输线的阻抗匹配、信号的串扰等。因此，需要采取相应的措施来确保信号的完整性，如使用合适的传输线、加入阻抗匹配器等。

第三，地线设计是高速PCB设计中不可忽视的一个方面。地线在高速信号传输中起到了至关重要的作用，能够提供良好的信号参考和回流路径。因此，在高速PCB设计中，需要合理设计地线的位置和布局，以减少信号的串扰和电磁辐射。

第四，电源设计也是高速PCB设计中需要考虑的一个重要因素。电源的稳定性直接影响到整个系统的性能和稳定性。在高速PCB设计中，需要合理布局和连接电源，以确保充足的电流供应和低噪声电源。

第五，散热设计是高速PCB设计中需要考虑的另一个重要因素。高速电子设备通常工作时会产生大量的热量，如果不能有效散热，可能导致设备性能下降甚至损坏。因此，在高速PCB设计中，需要合理设计散热结构和散热通道，以保证设备的正常工作。

最后，可靠性和可维护性是高速PCB设计中需要考虑的最重要的因素之一。高速电子设备通常需要工作在苛刻的环境条件下，如高温、湿度、震动等。因此，在高速PCB设计中，需要采用可靠的材料和组件，并保证可维护性，以提高设备的寿命和稳定性。

高速PCB设计考虑的六个方面包括电磁兼容性、信号完整性、地线设计、电源设计、散热设计、可靠性和可维护性。在进行高速PCB设计时，需要综合考虑这些因素，采取相应的措施，以确保设备的性能和稳定性。通过合理的高速PCB设计，可以提高设备的性能和可靠性，并满足现代电子设备对高速传输的要求。

高速PCB的特点主要包括：

高速PCB在信号处理、设计要求、材料特性以及应用场景等方面都展现出了其独特的优势。随着科技的不断发展，高速PCB将在更多领域得到应用，推动电子设备的性能不断提升。