您可以在 2 層 PCB 上路由數字信號嗎？

2021-10-20

您可以在 2 層 PCB 上路由數字信號嗎？

2 層 PCB 是愛(ài)好者最好的朋友。如果凈計數足夠低，它們很容易在您的設計軟件中定義，并且布線(xiàn)也很簡(jiǎn)單。雖然我通常不會(huì )處理只能在 2 層上完成的工作，但知道如何正確使用這些板仍然很重要。如果你很聰明，你甚至可以使用這些板來(lái)路由一些高速接口。

在本文中，我想了解設計將使用高速串行接口的 2 層 PCB 的一些重要規則。只要遵循一些基本的布線(xiàn)規則，就可以在 2 層電路板上輕松完成 USB 或 SPI 之類(lèi)的操作。我將在下面介紹的內容應該是在 2 層 PCB 布局中路由數字信號的起點(diǎn)。

需要注意的一點(diǎn)：您不應該期望該板能夠通過(guò) EMC 測試而進(jìn)入這樣的 2 層項目。確保 EMC 將取決于許多與電源、接地、外殼、板上的組件和電路以及許多其他因素相關(guān)的因素。希望這能讓您很好地介紹如何在不產(chǎn)生信號完整性問(wèn)題的情況下完成 2 層 PCB 的布局布線(xiàn)部分。

2 層數字電路板入門(mén)

2 層 PCB 布局很有趣，因為它們通常是大多數設計師的入門(mén)級。大多數涉及中等速度 MCU（可能是 5-10 ns 上升時(shí)間）、一個(gè)通用串行總線(xiàn)（如 SPI）和更簡(jiǎn)單的高速數字接口的設計都可以在 2 層板上正常運行，只要它們不是太密集并且您不會(huì )違反一些基本的路由規則。然而，這些設計經(jīng)常違反很多信號完整性規則并產(chǎn)生/接收過(guò)多的 EMI。因此，該板在技術(shù)上可能按您的預期運行，但它可能永遠無(wú)法通過(guò) EMC 測試，因此您將無(wú)法出售它。

首先，在使用數字信號的 2 層板設計中需要考慮以下幾點(diǎn)：

阻抗控制：您的任何接口都需要阻抗控制嗎？如果是這樣，請記住，您不會(huì )在標準 PCB 厚度上達到阻抗要求。

走線(xiàn)長(cháng)度：因為我們無(wú)法滿(mǎn)足 2 層板上的阻抗控制要求，所以我們必須將走線(xiàn)長(cháng)度保持在某個(gè)臨界長(cháng)度以下。一些接口對阻抗非常寬容并且具有很長(cháng)的臨界長(cháng)度，但您需要計算長(cháng)度限制。

接地通路：為了確保數字路由中的低串擾和低 EMI，您需要提供具有清晰返回路徑的接地通路。

零件/網(wǎng)數：在 2 層板上，您的布線(xiàn)空間有限，因此您不能有太多零件。一旦您嘗試包含太多部件并且布線(xiàn)中有很多交叉，您將不得不使用 4 層板，或者您將不得不使您的 2 層板太大。

數字信號和阻抗

在使用數字邏輯時(shí)，尤其是在 2 層板中，重要的是要注意并非所有數字信號都有阻抗要求。有時(shí)，如果他們這樣做，您可以違反它并且界面將正常工作。這在 2 層板中很重要，因為走線(xiàn)的寬度需要具有特定值才能達到阻抗目標。

舉個(gè)例子，考慮一個(gè)標準厚度 62 mil 核心 (Dk = 4.8) 的 2 層板。如果我們想要達到標準的 50 歐姆阻抗目標，那么我們需要有 110 密耳的走線(xiàn)寬度！這是一個(gè)巨大的走線(xiàn)寬度，遠大于您將放置在真實(shí)電路板上的任何數字組件的焊盤(pán)尺寸。為了確定這一點(diǎn)，我使用了基于 IPC 2141 公式的在線(xiàn)微帶線(xiàn)阻抗計算器。

帶有接地層的簡(jiǎn)單 2 層板的阻抗計算結果。

在線(xiàn)計算器不會(huì )給出最準確的結果，但上述結果說(shuō)明了一個(gè)重要的觀(guān)點(diǎn)：您不可能在 2 層 PCB 上進(jìn)行阻抗控制并期望在布局中適合所有內容。

這是我們需要為您的走線(xiàn)設置長(cháng)度限制的地方。當信號在其上升時(shí)間內行進(jìn)的距離遠大于走線(xiàn)的長(cháng)度時(shí)，則走線(xiàn)的阻抗無(wú)關(guān)緊要。在這種情況下，信號只在傳播過(guò)程中看到負載的阻抗。確切的長(cháng)度限制取決于多種因素，但保守的規則是將走線(xiàn)長(cháng)度限制設置為信號傳播距離的 1/10。

舉個(gè)例子，讓我們使用上圖中的傳播延遲和 5 ns 上升時(shí)間信號。在上述情況下，傳播速度為 6 英寸/納秒。所以這意味著(zhù)，如果我們有一個(gè) 5 ns 上升時(shí)間信號，那么該信號將在其上升時(shí)間內行進(jìn) 30 英寸，因此我們的最大走線(xiàn)長(cháng)度將是該信號的 1/10，即 3 英寸。我們實(shí)際上可以比 1/10 的長(cháng)度限制更不保守。如果我們設置 1/4 的長(cháng)度限制，我們的最大走線(xiàn)長(cháng)度為 75 英寸。

與走線(xiàn)長(cháng)度相比，緩慢上升時(shí)間用于驗證設計是否需要在 2 層 PCB 上進(jìn)行緊密的阻抗匹配。

根據您在通道接收器端可以容忍的阻抗違規程度，只要長(cháng)度很短，您肯定可以自由地使用典型的數字協(xié)議來(lái)實(shí)現 2 層板。

一些數字信號的 2 層路由指南

這些基本指南的目標是確保您的數字設計具有盡可能低的噪聲，鑒于 2 層板的結構，這很困難。

在底層放置一個(gè)地平面，然后在頂層放置數字組件和布線(xiàn)。這不會(huì )幫助您在布線(xiàn)時(shí)進(jìn)行阻抗控制，但無(wú)論如何您都應該這樣做以幫助控制噪聲并讓您輕松地通過(guò)通孔接地。

使用固定的走線(xiàn)寬度來(lái)路由電源和信號。8-10 mil 走線(xiàn)適合路由數字信號，12-14 mil 過(guò)孔適合將信號轉換回接地層。如果您使用高電流工作，電源可以用多邊形布線(xiàn)，但在大多數情況下，您可以使用更寬的走線(xiàn)。

使用去耦/旁路電容器以確保穩定的電源和低接地反彈。2 層電路板可能會(huì )出現接地反彈，并且電源軌上可能會(huì )出現一些噪聲，但去耦/旁路電容器會(huì )抑制這種噪聲。

在我們 2 層板系列的下一部分中，我將展示如何為 USB 實(shí)現這些設計指南，USB 絕對可以算作高速數字接口。如果您熟悉 USB，您就會(huì )知道它是一種快速接口，通常需要阻抗控制路由。但是，根據上面顯示的指南，您可以獲得使用此接口的功能性 2 層板。請注意，您可能沒(méi)有完全無(wú)噪聲的電路板，所以不要指望這種布局能夠通過(guò)EMC 測試。但是，作為您最喜歡的微控制器的開(kāi)發(fā)板，它應該可以正常工作。