PCB阻抗控制的設計建議

2021-10-13

PCB阻抗控制的設計建議

放置和布線(xiàn)的電路板

正如他們所說(shuō)，凡事都要付出代價(jià)。我們都喜歡智能手機放在我們手掌中的大量計算能力，但這種功能的代價(jià)是設計復雜性的巨大增加。隨著(zhù)工程師在設計中解決信號完整性問(wèn)題，高頻、更快的設備開(kāi)關(guān)速度以及更高的噪聲和干擾量使 PCB布局變得更加復雜。

我們不能再將電路板走線(xiàn)布線(xiàn)視為簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)連接。布局設計人員必須了解其設計中的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )要求并相應地布局電路。這些走線(xiàn)必須被視為傳輸線(xiàn)，并進(jìn)行配置和布線(xiàn)以實(shí)現最佳阻抗控制，以確保它們提供最清晰的信號質(zhì)量和完整的數據完整性。為此，這里有更多關(guān)于電路板布局中 PCB阻抗控制的詳細信息。

對 PCB阻抗控制的需求

電容和電感的組合產(chǎn)生對電流的阻礙，稱(chēng)為阻抗。PCB設計中的所有電線(xiàn)和跡線(xiàn)都會(huì )產(chǎn)生一些阻抗，以歐姆為單位。由于分布在電路板上的不同環(huán)境，阻抗值可能會(huì )發(fā)生變化或被視為“不受控制”。雖然不受控制的阻抗對于 PCB 上的許多電路來(lái)說(shuō)可能不是問(wèn)題，但它會(huì )極大地影響高頻信號。

在更高的頻率下，信號的行為更像是高速傳輸線(xiàn)，而不是常規的點(diǎn)對點(diǎn)連接。這些信號的成功取決于它們在源和負載之間的清晰傳輸和接收。然而，隨著(zhù)整個(gè)布線(xiàn)線(xiàn)路中阻抗值的變化，信號可能會(huì )被反射并沿與原始信號相反的方向傳播。這種反射會(huì )疊加在初始信號上，造成失真，從而導致發(fā)射器和接收器之間的信號輪廓發(fā)生變化。這種失真會(huì )降低信號的完整性，可能會(huì )導致其無(wú)法實(shí)現其預期功能。

為了防止此類(lèi)信號完整性問(wèn)題，高頻傳輸線(xiàn)電路必須通過(guò)走線(xiàn)，阻抗值在整個(gè)線(xiàn)路中得到均勻控制。這是通過(guò)控制導電跡線(xiàn)的幾何形狀和跡線(xiàn)穿過(guò)的環(huán)境來(lái)實(shí)現的。通過(guò)指定走線(xiàn)寬度和銅重來(lái)控制走線(xiàn)，而通過(guò)仔細選擇包含走線(xiàn)的介電材料來(lái)控制環(huán)境，以獲得適當的 Dk（介電常數）值。使用專(zhuān)用布線(xiàn)層配置板層疊層也很重要，用于控制阻抗線(xiàn)靠近或夾在兩個(gè)接地層之間。這通常稱(chēng)為微帶或帶狀線(xiàn)配置。最后，控制阻抗 環(huán)境將調節走線(xiàn)和平面之間的介電間距以及與其他走線(xiàn)的間距。

接下來(lái)，我們將更深入地研究 PCB阻抗控制布線(xiàn)的板層堆疊。

電路板上的差分對布線(xiàn)

為阻抗控制布線(xiàn)設置 PCB 層堆疊

正如我們所見(jiàn)，控制敏感走線(xiàn)的阻抗取決于以下因素：

走線(xiàn)幾何形狀：必須仔細選擇走線(xiàn)中銅的橫截面體積，因為在阻抗計算中必須考慮走線(xiàn)寬度和厚度（銅重量）。

介電材料：用于支撐走線(xiàn)并使其與接地層絕緣的非導電 PCB 材料的介電常數(Dk) 值也是阻抗計算的一部分。

間距：計算的最后一部分是信號走線(xiàn)與相鄰地平面之間的垂直間距以及與其他信號走線(xiàn)的間距。

為了成功控制傳輸線(xiàn)布線(xiàn)的阻抗，介電板材料必須與走線(xiàn)幾何形狀相匹配。這可能需要用于 PCB 制造的特定材料類(lèi)型以及對跡線(xiàn)幾何形狀和間距值的調整。介電材料的 Dk 值會(huì )隨頻率而變化，因此每塊電路板的阻抗計算會(huì )根據電路的頻率而有所不同。設計人員可以使用在線(xiàn)計算器來(lái)確定板層堆疊，而且大多數 PCB設計系統都包含自己的阻抗計算器。此外，電路板制造商通?？梢詭椭M(jìn)行這些計算。

PCB 制造商了解電路板材料和電路需求之間的關(guān)系，因為他們擁有構建多種高速設計的經(jīng)驗。只要他們從您那里獲得以下數據，他們就可以幫助您進(jìn)行板層堆疊配置：

板上單端和差分對控制阻抗布線(xiàn)的目標阻抗。

用于受控阻抗布線(xiàn)的所需板層。

目標板材料。

有了這些信息，電路板制造商通?？梢酝扑]對您的設計最有效的板層堆疊配置。許多制造商還可以直接與您的 CAD 系統交換此 PCB 層數據，以減少出錯的可能性并增加您的設計時(shí)間。

讓我們看看如何設置您的 PCB設計系統，以實(shí)現最有效的 PCB阻抗控制傳輸線(xiàn)布線(xiàn)。

Cadence Allegro 的約束管理器用于為差異對設置設計規則

在布局工具中充分使用設計功能

PCB 疊層中各層的材料選擇、層寬和配置對于控制阻抗都很重要。但是，除了疊層之外，還應設置設計的其他參數以幫助控制阻抗布線(xiàn)。其中一些參數是直接相關(guān)的，例如走線(xiàn)寬度和間距，而其他參數將簡(jiǎn)化您的布局工作。

示意圖

在開(kāi)始布局之前，花點(diǎn)時(shí)間確保原理圖已經(jīng)準備好。顯然，原理圖將繼續更改以進(jìn)行設計增強和更改，但它應該準備好與 PCB布局數據庫同步。這包括確保其組件得到批準和更新，受控阻抗信號被歸類(lèi)為差分對或單端網(wǎng)絡(luò )，以及將一些基本規則和類(lèi)別輸入數據庫。

設計參數

許多設計師將參數保留為默認設置，但根據您的個(gè)人喜好修改這些參數可以使您在布局期間的工作更輕松。選定的網(wǎng)絡(luò )顏色、填充圖案和高光只是可以提高工具效率的一小部分更改。其他包括測量單位、網(wǎng)格、文本顯示，甚至工具欄和命令的配置方式。

設計約束

您的 PCB CAD 工具應該有一個(gè)全面的設計規則和約束系統，允許您為受控阻抗走線(xiàn)設置規則。例如，在 Cadence Allegro 的 PCB 編輯器中，您可以為 PCB設計中的各種信號要求設置網(wǎng)絡(luò )類(lèi)和規則。其中之一，如上圖所示，是設計中的差分對。Allegro 允許您設置所有相關(guān)的布線(xiàn)規則，包括走線(xiàn)寬度和間距，以滿(mǎn)足他們的電氣要求。

路由命令

PCB布局系統中有許多可用的走線(xiàn)布線(xiàn)功能。您可以將跡線(xiàn)布線(xiàn)到指定長(cháng)度、添加曲線(xiàn)、滑動(dòng)它們或以特定模式或拓撲進(jìn)行布線(xiàn)。對于受控阻抗布線(xiàn)，您需要能夠以特定寬度、間距和指定層布線(xiàn)。布局工具中的布線(xiàn)功能可以與已經(jīng)設置的設計規則和約束一起輕松適應這一點(diǎn)。您的布局工具還將具有布線(xiàn)功能，可以將差分對自動(dòng)布線(xiàn)成對，如下圖所示。這些功能將節省您嘗試手動(dòng)將它們布線(xiàn)在一起的時(shí)間和難度，同時(shí)保持彼此所需的間距。

這僅涉及當今 PCB布局工具中眾多設計功能中的一小部分。隨著(zhù) CAD 系統的不斷改進(jìn)，我們將不斷看到增強和升級，以簡(jiǎn)化設計人員處理 PCB阻抗控制的工作流程。例如，這里有一些可以提供幫助的高級功能。 

通過(guò)自動(dòng)跟蹤路由功能實(shí)現的差分對路由示例

PCB設計工具中有用的高級功能 

為了幫助設計人員在布局 PCB設計時(shí)解決信號完整性問(wèn)題，Cadence 在他們的工程軟件庫中提供了另一個(gè)有用的工具。本文頂部視頻中顯示的阻抗分析工作流程允許設計人員分析其關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )以發(fā)現潛在的 SI 問(wèn)題。一旦更正，第二輪分析將顯示這些變化如何改善了電路板的信號完整性。

我們之前還提到了與您的 PCB 制造商溝通以交換關(guān)鍵板層堆疊信息的重要性。Cadence 在這方面也提供了幫助，其功能是以 IPC-2581 格式導入和導出板層堆疊信息。這使您可以與配備類(lèi)似設備的制造商合作，并將他們的數據直接提取到您的設計中。無(wú)需依賴(lài)口頭或書(shū)面交流，您可以為電路板層堆疊、導電和介電材料定義、涂層和其他重要的 PCB 物理特性提取設計就緒數據。