嵌入式系統中高頻PCB的設計技巧

2021-04-20

嵌入式系統中高頻PCB的設計技巧

當今的高速嵌入式系統結合了各種功能，組件，數字接口，當然還包括無(wú)線(xiàn)/ RF信令。如果您要設計具有任何計算能力的嵌入式系統，并且還包括模擬前端，那么您將面臨多個(gè)混合信號設計難題。無(wú)論是簡(jiǎn)單的低于1 GHz的無(wú)線(xiàn)電連接，Wifi / BLE還是數千兆以太網(wǎng)，嵌入式系統都需要某種方式來(lái)與外界交互，而這種方式不依賴(lài)于純數字信令。這適用于背板，單板計算機，IoT產(chǎn)品等系統。

利用當今嵌入式系統中使用的高頻信號，電路板設計人員有責任在設計過(guò)程的早期就解決這些問(wèn)題。成功的高頻PCB設計可歸結為三個(gè)方面的成功：

疊層設計和接地

元件放置

布線(xiàn)和阻抗控制

這聽(tīng)起來(lái)很明顯，這是我們在此博客的許多文章中介紹的基本設計技巧。但是，這里要強調這些要點(diǎn)，因為具有某些數字功能的高頻PCB，尤其是現代嵌入式系統，在這三個(gè)方面都必須依靠成功來(lái)確保系統按設計運行。為了幫助您開(kāi)始下一個(gè)PCB的布局和布局，讓我們從嵌入式系統的高頻設計方面來(lái)看每個(gè)領(lǐng)域。

高頻PCB的設計挑戰

正如我將簡(jiǎn)要討論的那樣，高頻PCB和數字系統所涉及的設計挑戰都集中在信號完整性上，并在某種程度上講是電源完整性。我們在這里考慮的PCB類(lèi)型是用于嵌入式系統的板，其中還將包括一些RF功能。射頻部分可以通過(guò)諸如WiFi或BLE的標準無(wú)線(xiàn)協(xié)議實(shí)現，而數字部分幾乎可以與MCU，MPU或FPGA接口。

隔離高頻信號

這些系統中最重要的設計考慮因素可能是隔離數字和模擬信號。如果系統具有模擬部分，天線(xiàn)饋線(xiàn)等，則需要將模擬部分與數字部分隔離開(kāi)來(lái)，因為串擾會(huì )干擾模擬信號。這是最好使用波導路由的原因之一，因為它可以提供自然隔離，正如我將在下面更詳細地解釋的那樣。

如果您可以成功完成此部分，那么您將更接近在模擬部分生產(chǎn)具有更高EMI抗擾度的模擬部分。正如我將在下面討論的，最好在堆疊階段（設計的開(kāi)始）而不是在布線(xiàn)階段（設計的末尾）開(kāi)始考慮這一點(diǎn)。首先，嵌入式系統在布局設計時(shí)應考慮一些特性。

是什么使嵌入式技術(shù)與眾不同？

嵌入式系統與許多其他帶有高頻PCB的數字系統之間的區別是使用高速數字接口。盡管高速計算接口使用差分對進(jìn)行數據傳輸，但仍有可能在數字部分和模擬部分之間引起共模噪聲（串擾）。此外，上升時(shí)間較快的信號會(huì )將其信號功率集中到更高的頻率，因此在單端RF互連上更有可能顯示為噪聲。

由于您基本上是在處理高速運行的小型計算機，因此您還需要考慮電源完整性，尤其是地面彈跳/軌道彈跳。兩種效果基本相同，只是以不同的方式表現出來(lái)。

下表簡(jiǎn)要總結了設計帶有模擬部分的嵌入式系統時(shí)所面臨的挑戰。通常，我們可以將每個(gè)領(lǐng)域中的設計挑戰與堆疊設計，布線(xiàn)/阻抗控制和隔離的三個(gè)基本原理聯(lián)系起來(lái)。

顯然，在嘗試設計具有模擬/ RF部分的高速嵌入式系統時(shí)，有很多地方需要檢查。另一個(gè)有問(wèn)題的領(lǐng)域是每個(gè)領(lǐng)域的解決方案都取決于頻率。由于這是一篇高水平的文章，因此沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)介紹各個(gè)領(lǐng)域的設計準則，但是我將在適當的地方鏈接到其他文章。

它始于地平面和疊層設計

正確的PCB疊層可以解決大多數電源完整性和信號完整性問(wèn)題。堆疊還會(huì )影響可溶解性，可布線(xiàn)性，阻抗控制，EMI / EMC，熱控制和隔離。如果您要設計具有高速數字接口和模擬部分的嵌入式系統，那么可以使用堆棧來(lái)開(kāi)始考慮您的設計。

我在下面顯示了一個(gè)8層堆棧，它將在內部為低速信號和所需的附加平面提供空間，但是我僅在板的頂部和底部標記了重要的信號和平面層。如果您不需要此額外空間，則可以使用信號/平面/平面/信號布置在4層停下來(lái)。這里的重點(diǎn)是，我允許2個(gè)參考層彼此相鄰，而與其他層無(wú)關(guān)。堆疊類(lèi)型的目標是使參考平面彼此靠近，以防止可能導致信號完整性問(wèn)題的電源完整性問(wèn)題類(lèi)型 。 

如果需要，這種類(lèi)型的疊層將為您提供兩個(gè)組件層，電路板每側之間的大量接地以及可用于電源/地平面對以提供足夠的平面間電容的相鄰平面層。第2層和第（N-1）層上的參考平面是確保整個(gè)板上的阻抗控制，隔離和一致參考的關(guān)鍵層。這種類(lèi)型的高層數堆棧（至少6個(gè)）對于占位面積較小的更高級的系統很常見(jiàn)。

如果您使用的是純模擬或混合信號設備，則在堆疊和接地平面圖中要考慮許多重要事項。但是，您還必須將高速/高頻組件放置在板上，因此在開(kāi)始布線(xiàn)之前自然要先檢查一下組件的放置。

元件放置在頂部參考平面上方

首先，您應該將接地層分為數字部分和模擬部分，但要使這兩個(gè)部分保持物理連接，以提供始終如一的低電抗接地路徑。如果您正在使用多個(gè)頻率的頻率RF信號，請考慮將第三個(gè)模擬地切開(kāi)以用于這些信號和組件。如果您按照上面的說(shuō)明堆疊地面和電源，那么您已經(jīng)對電源部分進(jìn)行了相同的操作，并且理想情況下，可以防止PDN中高傳輸阻抗引起的多端口激勵。

使您的數字部分和RF部分在接地層上方分開(kāi)，并遵循返回路徑，以確保信號在PCB布局中被隔離。

隔離布線(xiàn)高頻PCB

要考慮的下一點(diǎn)是如何在組件之間路由走線(xiàn)。但是，您可能還需要一些策略來(lái)隔離不同板部分之間以及各個(gè)互連之間，以防止干擾。一些策略包括：

表面層上的共面波導布線(xiàn)，特別是組件之間的走線(xiàn)，到饋線(xiàn)的走線(xiàn)或到同軸連接器的走線(xiàn)。

如果您有足夠高的層數，請考慮為帶狀線(xiàn)布線(xiàn)留出一層。請注意這一點(diǎn)，因為過(guò)孔會(huì )在超高頻（mmWave）上產(chǎn)生問(wèn)題。

由于會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)異相輻射源，因此將接地通孔柵欄放置在RF電源平面周?chē)商峁┝己玫囊种菩Ч?span>

考慮使用帶隙結構來(lái)提供隔離，因為它們可以直接印刷到高頻PCB上。

與如何進(jìn)行布線(xiàn)以防止干擾相比，如何設計互連以確保一致的阻抗匹配并不重要。這里最重要的一點(diǎn)可能是跟蹤返回路徑，并使RF互連遠離數字部分。只要您的RF互連附近沒(méi)有大的返回電流，就可以減少對串擾的擔心。盡管如此，在進(jìn)行原型設計之前，仍有很多要評估的要點(diǎn)，現場(chǎng)求解器可以幫助發(fā)現這些問(wèn)題。

在使用現場(chǎng)求解器進(jìn)行原型設計之前評估您的電路板

只要您能消除原型運行并發(fā)現超高頻率的信號/電源完整性問(wèn)題，就可以節省時(shí)間和金錢(qián)。正確的現場(chǎng)求解器可以幫助您完成PCB布局并計算確保RF產(chǎn)品將按設計工作所需的重要信號完整性指標。在高頻PCB中，要檢查的一些重要點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )參數，輻射EMI以及不同板部分之間的干擾。如果您將天線(xiàn)直接放在板上，則還需要檢查輻射方向圖和輻射功率。