高速印刷电路板的设计技术
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对于高速系统的设计,无论是数字电路还是模拟电路,不仅需要高速的器件,更需要设计人员的智慧和严谨的设计方案。在高速系统中,噪声的产生是一个最值得关注的焦点。高频信号会由于辐射而产生干扰,高速变化的信号会导致振铃、反射以及串扰等,如果不加抑制,这些噪声会严重降低系统的性能。
本文将从电源分配系统及其影响、传输线及其相关的设计准则、串扰及其消除、电磁干扰四个方面讨论高速PCB板的设计技术。?
1电源分配
高速系统板设计中要考虑的首要问题就是电源分配网络。电源分配网络必须为低噪声电路板上的各部分电路提供一个低噪声的电源,包括VCC和地。同时,电源分配网络还要为电路板上所有接收的信号提供一个信号回路。
1.1 电源分配方式及阻抗
对于一个理想电压源,其阻抗为零,这个零阻抗保证了负载端的电压与电源端的电压相等。因为噪声源的源阻抗相对于电压源的零阻抗为无穷大,所有的噪声被吸收。但是,对于一个实际电源,它具有一定的阻抗,且阻抗分布于整个电源网络中,从而使噪声叠加在电源上。为此,电源分配网络设计的主要目标就是尽可能减小网络中的阻抗。目前,有总线式和电源层式两种电源网络分配形式。
总线系统是由一组具有电路板所需的不同电压级别的电源线组成,每种电压级别所需的线路数目根据系统的不同而不同。电源层系统则是由多个涂满金属的层(或者层的部分)组成的,每个不同电压级别需要一个单独的层。
在总线式的电源分配方案中,电源总线与信号线在同一层中,为了给所有的器件提供电源,并给信号线留出空间,电源线总是趋于长且窄的带状。这就相当于电源线上串了一个电阻,尽管这个电阻很小,但其影响却很大。例如,在一个只有20个器件的小电路板上,若每个器件的吸收电流为200 mA,那么总电流将为4 A。此时,若电源总线的电阻为0.125 Ω,也会产生0.5 V的压降,从而使得电源总线末端的器件得到的电压只有4.5 V。
对于电源层式分配方案,由于电源是通过整个金属层来分配,其电源阻抗很小,所以电源噪声也比总线式小得多。
1.2线路噪声的滤出
仅靠电源层并不能消除电源的线路噪声,由于不论采用何种电源分配方案,整个系统都会产生足以导致发生问题的噪声,所以,额外的滤波(通常利用去耦电容完成)措施是必需的。一般,应在电路板的电源接入端放置一个1～10 μF的电容,滤除低频噪声;在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01～0.1 μF的电容,滤除高频噪声。
滤波的目的是滤除叠加在电源供应中的交流成分,似乎电容越大越好,但实际并非如此,这是因为实际电容并不具有理想电容的所有特性。实际电容存在寄生成分,这是构造电容器极板和引线时所形成的,而这些寄生成份可等效为串联在电容电路上的电阻与电感,通常称之为等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。这样,电容实际上就是一个串联谐振电路,其谐振频率为
频率小于fR时呈现为电容,频率大于fR时呈现为电感。所以,电容器更像是一个带阻滤波器,而不是一个低通滤波器。
电容的ESL和ESR是由电容的构造和所用介质材料决定的,与电容容量无关。对于高频的抑制能力并不会因为更换大容量的同类型电容而增强。更大容量的同类型电容器的阻抗在频率低于fR时,比小容量电容器的阻抗小。但是,当频率大于fR时,ESL决定了二者的阻抗没有差别。可见,为了改进高频滤波特性,必须使用具有较低ESL的电容器。任何一种电容器的有效频率范围是有限的,而对于一个系统,既有低频噪声,又有高频噪声,所以,通常要用不同类型的电容并联来达到更宽的有效频率范围。
去耦电容在板上的放置位置也很关键,它直接影响高频滤波的有效性。一般的放置方法如图1(a)所示,这样做只是方便布线,并不能提供最有效的高频滤波特性。为了得到更好的高频特性,应采用图1(b)所示的放置方法,在该方法中最好使用贴片电容并放置在器件的另一面。
传输延迟时间同样?也取决于L0和C0,单位为时间单位／单位长度,且:
2.1 传输线的阻抗计算
在PCB设计中,有带状线和微波线两种传输线。带状线是指信号线夹在两个电源层之间,理论上它能最好地传输信号,因为它两边都有电源层的屏蔽,但它不利于信号线的测试。微波线的信号线在外层,地层在信号线的另一边,这样就易于测试。
L0、C0、Z0和tPD0是由信号线的物理特性和电路板介质特性决定的,对于带状线:?
对于微波线:??
其中,εR是电路板介质的相对介电常数。
上述传输线阻抗的计算是针对在传输线末端接集总负载的情况,如果负载分布于传输线上时,就改变了传输线的特征参数阻抗Z0和传输延迟时间tPD0。改变后的阻抗Z和传输延迟时间tPD可由Z0、tPD0和负载电容CL得出:?
2.2反射及其消除
从信号源到负载的最大能量传输要求负载阻抗等于源阻抗,如果两者不相等,那么信号的一部分能量被负载吸收,一部分被反射回信号源,信号源就会产生相应的变化去补偿输出。这样,负载端的信号波就可以当作反射波与信号源的输出叠加。反射波取决于线阻抗与负载阻抗的失配情况及信号跳变时间tR与传输延迟时间tPD的比率。
如果跳变时间远大于传输延迟时间,反射对信号只引起小小的扰动,在负载端表现为小小的过冲。如果传输延迟时间足够大,当反射信号返回信号源时,信号源的输出已经改变了许多,这样,信号源就得作出较大的变化去补偿输出,而负载端又反射变化后的信号,从而产生振铃现象。
传输线上反射信号的大小取决于传输线阻抗Z0与负载阻抗ZL的差别。反射信号与原信号的比值,称为反射系数KR,且
也就是说,负载开路或短路时,信号全部反射回去。短路时反射回去的信号是反向的。
对于大多数系统来说,需要一种技术来消除反射,这种技术就是端接。端接方法有并联端接和串联端接两种。前者是指在负载端并联一个电阻使负载阻抗ZL减小到Z0,以消除第一次反射;后者是指在负载端串联一个电阻使源阻抗ZS增加到Z0,以消除第二次反射。通常一个非常匹配的端接是不可能的,因为驱动器的高电平输出阻抗和低电平输出阻抗有差别,从而使得端接电阻的选择很困难,不可能有一个对两种情况都很理想的端接电阻,具体设计时必须折衷选择。
2.3 传输线的布线规则
合适的端接将保证信号的抗干扰性能,但是不适当的布线仍会导致较大的噪声,因此,为了增强电路板的性能,具体布线时应遵循:① 避免传输线的阻抗不连续性。阻抗的不连续点就是传输线的突变点,它将产生信号的反射。布线时不要使走线成直角;尽可能少用过孔;避免外层的信号通过内层以及内层的信号通过外层。② 避免采用桩线,因为桩线也是噪声源,而应改为两条走线,并在两条线的末端都作端接,如图3所示。
3 串扰及其消除
串扰是信号线之间不希望有的耦合,有容性串扰和感性串扰两种。容性串扰就是信号线间的容性耦合,当信号线在一定程度上靠得比较近时就会发生。感性串扰可以想象为信号在一个不希望有的寄生变压器初次级之间的耦合,变压器绕组就是电路板上信号的电流环路,这个环路可能是人为造成的,也可能是信号的自然回路形成的。感性串扰的大小取决于两个环路的靠近程度和环路面积的大小以及所影响的负载的阻抗。
对于串扰的消除可以采用以下措施:对串扰敏感的信号线进行适当的端接;增大信号线之间的距离以减小容性串扰;在相邻信号线之间插入地线也可减小容性串扰,但这根地线需要每隔1／4λ(λ为信号线上信号的最高频率的波长)加一个过孔接到地层;对于感性串扰,应尽可能减小环路面积,若允许,就消除这个环路;避免信号共用回路。
4 电磁干扰(EMI)及其消除
随着电路速度的提高,EMI就会变得越来越严重。减小EMI的途径多种多样,下面主要从电流环路的消除、滤波和器件的速度三个方面作一简要介绍。
在所有的设计中,环路是不可避免的。环路相当于一个天线,因此最小化环路引起的EMI问题,就是要减少环路的数量和环路的天线效应,避免产生人为的环路并尽量减小环路的面积。确保信号在任意的两点上只有唯一一条回路路径,可以避免人为环路;尽可能利用电源地层,可以保证信号的自然回路与信号的环路面积最小,但在电源地层的使用中,应注意信号回路不能被阻塞。
滤波是减小电源线上EMI的常用方法,有时也可用于信号线上。但对信号线的滤波是仅当其它方法无法消除信号噪声时才采用的措施。滤波通常有去耦电容、EMI滤波器和磁性元件三种方法。去耦电容在前文中已作过叙述;EMI滤波器是商业性的器件,种类很多,应用在不同频率范围的都有;磁性元件是由铁磁材料构成的,主要用于抑制高频噪声。
在给定的频率范围内,器件产生的能量越少,辐射的噪声就越小。对于高速器件,其跳变时间更短,这意味着它在高频范围内有更多的能量,也就是说会产生更多的噪声。因此,在系统设计中,器件的选择很重要。如果系统要求的速度很高,那么就必须用速度足够高的器件,为此可能需要做出额外的努力以满足EMI。但是如果更低速度的器件可以满足系统的要求,那就没有必要用更高速的器件。
5 结束语
当更高速度的技术在理论上为更高速度的系统提供的可能性变为现实时,必须特别小心。本文从电源与地线的统一和稳定、合理的布线与消除反射的适当端接、串扰的消除、EMI要求的满足等几个方面详细讨论了高速印刷电路板的设计技术,以供同行参考。
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