隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高,對于信號完整性的分析除了反射,串?dāng)_以及EMI之外,穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加,核心電壓不斷減小的時候,電源的波動往往會給系統(tǒng)帶來致命的影響,于是人們提出了新的名詞:電源完整性,簡稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國際市場上,IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá),但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生,分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。二、電源噪聲的起因及分析對于電源噪聲的起因我們通過一個與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖,因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件,它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高,數(shù)字器件的切換速度也越來越快,這就引進(jìn)了更多的高頻分量,同時回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中,當(dāng)與非門輸入全為高電平時,電路中的三極管導(dǎo)通,電路瞬間短路,電源向電容充電,同時流入地線。此時由于電源線和地線上存在寄生電感,我們由公式V=LdI/dt可知,這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動,如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時,此時電容放電,將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時只有電路的瞬間短路所引起的電流突變,由于不存在向電容充電而使電流突變相對于上升沿來說要小。從對與非門的電路進(jìn)行分析我們知道,造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面:一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下,瞬態(tài)的交變電流過大;
天津開發(fā)PCB抄板設(shè)計(jì)這里主要是說了從PCB設(shè)計(jì)封裝來解析選擇元件的技巧。元件的封裝包含很多信息,包含元件的尺寸,PCB抄板設(shè)計(jì)生產(chǎn)商特別是引腳的相對位置關(guān)系,還有元件的焊盤類型。當(dāng)然我們根據(jù)元件封裝選擇元件時還有一個要注意的地方是要考慮元件的外形尺寸。引腳位置關(guān)系:主要是指我們需要將實(shí)際的元件的引腳和PCB元件的封裝的尺寸對應(yīng)起來。我們選擇不同的元件,雖然功能相同,但是元件的封裝很可能不一樣。我們需要保證PCB焊盤尺寸位置正確才能保證元件能正確焊接。焊盤的選擇:這個是我們需要考慮的比較多的地方。首先包括焊盤的類型。其類型包括兩種,一是電鍍通孔,一種是表貼類型。我們需要考慮的因素有器件成本、可用性、器件面積密度和功耗等因數(shù)。從制造角度看,表貼器件通常要比通孔器件便宜,而且一般可用性較高。對于我們一般設(shè)計(jì)來說,我們選擇表貼元件,不僅方便手工焊接,而且有利于查錯和調(diào)試過程中更好的連接焊盤和信號。其次我們還應(yīng)該注意焊盤的位置。因?yàn)椴煌奈恢?,就代表元件?shí)際當(dāng)中不同的位置。我們?nèi)绻缓侠戆才藕副P的位置,很有可能就會出現(xiàn)一個區(qū)域元件過密,而另外一個區(qū)域元件很稀疏的情況,當(dāng)然情況更糟糕的是由于焊盤位置過近,導(dǎo)致元件之間空隙過小而無法焊接,下面就是我失敗的一個例子,我在一個光耦開關(guān)旁邊開了通孔,但是由于它們的位置過近,導(dǎo)致光耦開關(guān)焊接上去以后,通孔無法再放置螺絲了。另外一種情況就是我們要考慮焊盤如何焊接。在實(shí)際過程中我們常按一個特定的方向排列焊盤,焊接起來比較方便。元件的外形尺寸:在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,一些元件(如有極性電容)可能有高度凈空限制,所以我們需要在元件選擇過程中加以考慮。我們在最初開始設(shè)計(jì)時,可以先畫一個基本的電路板外框形狀,然后放置上一些計(jì)劃要使用的大型或位置關(guān)鍵元件(如連接器)。這樣,就能直觀快速地看到(沒有布線的)電路板虛擬透視圖,并給出相對精確的電路板和元器件的相對定位和元件高度。這將有助于確保PCB經(jīng)過裝配后元件能合適地放進(jìn)外包裝(塑料制品、機(jī)箱、機(jī)框等)內(nèi)。當(dāng)然我們還可以從工具菜單中調(diào)用三維預(yù)覽模式瀏覽整塊電路板。對于元件的選擇,除了要依據(jù)設(shè)計(jì)要求外,還要選擇正規(guī)廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品,這樣才能保證實(shí)現(xiàn)你的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
高速數(shù)字PCB板的等線長是為了使各信號的延遲差保持在一個范圍內(nèi),保證系統(tǒng)在同一周期內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)的有效性(延遲差超過一個時鐘周期時會錯讀下一周期的數(shù)據(jù)),一般要求延遲差不超過1/4時鐘周期,單位長度的線延遲差也是固定的,延遲跟線寬,線長,銅厚,板層結(jié)構(gòu)有關(guān),但線過長會增大分布電容和分布電感,使信號質(zhì)量,所以時鐘IC引腳一般都接RC端接,但蛇形走線并非起電感的作用,相反的,電感會使信號中的上升元中的高次諧波相移,造成信號質(zhì)量惡化,所以要求蛇形線間距最少是線寬的兩倍,信號的上升時間越小就越易受分布電容和分布電感的影響.因?yàn)閼?yīng)用場合不同具不同的作用,如果蛇形走線在電腦板中出現(xiàn),其主要起到一個濾波電感的作用,提高電路的抗干擾能力,電腦主機(jī)板中的蛇形走線,主要用在一些時鐘信號中,如CIClk,AGPClk,它的作用有兩點(diǎn):1、阻抗匹配 2、濾波電感。對一些重要信號,如INTEL HUB架構(gòu)中的HUBLink,一共13根,跑233MHz,要求必須嚴(yán)格等長,以消除時滯造成的隱患,繞線是解決辦法。一般來講,蛇形走線的線距>=2倍的線寬。PCI板上的蛇行線就是為了適應(yīng)PCI 33MHzClock的線長要求。若在一般普通PCB板中,是一個分布參數(shù)的 LC濾波器,還可作為收音機(jī)天線的電感線圈,短而窄的蛇形走線可做保險(xiǎn)絲等等.
尤其在使用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時,攔截大量信息所需要的時間顯著低于攔截低速數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間。數(shù)據(jù)雙絞線中的絞合線對在低頻下可以靠自身的絞合來抵抗外來干擾及線對之間的串音,但在高頻情況下(尤其在頻率超過250MHz以上時),僅靠線對絞合已無法達(dá)到抗干擾的目的,只有屏蔽才能夠抵抗外界干擾。電纜屏蔽層的作用就像一個法拉第護(hù)罩,干擾信號會進(jìn)入到屏蔽層里,但卻進(jìn)入不到導(dǎo)體中。因此,數(shù)據(jù)傳輸可以無故障運(yùn)行。由于屏蔽電纜比非屏蔽電纜具有較低的輻射散發(fā),因而防止了網(wǎng)絡(luò)傳輸被攔截。屏蔽網(wǎng)絡(luò)(屏蔽的電纜及元器件)能夠顯著減小進(jìn)入到周圍環(huán)境中而可能被攔截的電磁能輻射等級。不同干擾場的屏蔽選擇干擾場主要有電磁干擾及射頻干擾兩種。電磁干擾(EMI)主要是低頻干擾,馬達(dá)、熒光燈以及電源線是通常的電磁干擾源。射頻干擾(RFI)是指無線頻率干擾,主要是高頻干擾。無線電、電視轉(zhuǎn)播、雷達(dá)及其他無線通訊是通常的射頻干擾源。對于抵抗電磁干擾,選擇編織屏蔽最為有效,因其具有較低的臨界電阻;對于射頻干擾,箔層屏蔽最有效,因編織屏蔽依賴于波長的變化,它所產(chǎn)生的縫隙使得高頻信號可自由進(jìn)出導(dǎo)體;而對于高低頻混合的干擾場,則要采用具有寬帶覆蓋功能的箔層加編織網(wǎng)的組合屏蔽方式。通常,網(wǎng)狀屏蔽覆蓋率越高,屏蔽效果就越好。
在PCB板的設(shè)計(jì)當(dāng)中,可以通過分層、恰當(dāng)?shù)牟季植季€和安裝實(shí)現(xiàn)PCB的抗ESD設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中,通過預(yù)測可以將絕大多數(shù)設(shè)計(jì)修改僅限于增減元器件。通過調(diào)整PCB布局布線,能夠很好地防范ESD。以下是一些常見的防范措施。1、盡可能使用多層PCB相對于雙面PCB而言,地平面和電源平面,以及排列緊密的信號線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合,使之達(dá)到雙面PCB的1/10到1/100。盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層。對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB,可以考慮使用內(nèi)層線。2、對于雙面PCB來說,要采用緊密交織的電源和地柵格。電源線緊靠地線,在垂直和水平線或填充區(qū)之間,要盡可能多地連接。一面的柵格尺寸小于等于60mm,如果可能,柵格尺寸應(yīng)小于13mm。3、確保每一個電路盡可能緊湊。4、盡可能將所有連接器都放在一邊。5、在每一層的機(jī)箱地和電路地之間,要設(shè)置相同的“隔離區(qū)”;如果可能,保持間隔距離為0.64mm。6、PCB裝配時,不要在頂層或者底層的焊盤上涂覆任何焊料。使用具有內(nèi)嵌墊圈的螺釘來實(shí)現(xiàn)PCB與金屬機(jī)箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。