高性能PCB電路設計和分析指南

2020-03-24

雖然原理圖設計對于定義電路板的功能很重要，但是布局在電源和信號完整性方面將決定電路板性能的一些最重要方面。這需要適當的布線(xiàn)和疊層設計技術(shù)，以確保完成的布局與原理圖中的功能匹配。本文主要介紹高性能PCB電路設計和分析實(shí)現方法。

高性能PCB電路設計要求

高性能PCB電路設計就是要確保你的PCB在六個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域達到或超過(guò)公差：

1、電源完整性：你需要確保穩定的電源并抑制整個(gè)PCB的噪聲。當電源到達VCC引腳時(shí)，電源的+5 V輸出應保持在+5 V，并且當組件汲取電流浪涌時(shí)，其輸出不應搖晃。

2、信號完整性：沿傳輸線(xiàn)發(fā)送的任何+5 V信號在接收器處應顯示為+5V。你還需要使用正確的時(shí)鐘恢復和通道補償技術(shù)來(lái)恢復信號，尤其是在使用多級信令方案時(shí)。

參考平面和返回路徑管理：當板以更高的邊沿速率和/或更高的頻率運行時(shí)，需要仔細管理板中的返回路徑以防止干擾。這在混合信號板中尤其重要，因為需要防止模擬和數字部分之間的干擾。

3、EMI控制：你應該采取許多步驟來(lái)減少板內和板外的輻射和傳導EMI。同樣，如果要通過(guò)EMC測試，則可能需要采取其他措施將EMI限制在產(chǎn)品包裝內。

4、熱管理：即使在低至約1 V的組件中運行，更快的數據速率和更高的頻率也會(huì )在滿(mǎn)量程運行期間散發(fā)大量熱量。在這里，你需要考慮一種散熱管理策略，以使電路板溫度保持在安全的工作范圍內。這可能涉及主動(dòng)和被動(dòng)熱管理技術(shù)的混合，具體取決于要部署電路板的環(huán)境。

5、布線(xiàn)和堆棧設計：與上述五個(gè)領(lǐng)域有關(guān)。布線(xiàn)和堆疊在高的PCB系統中齊頭并進(jìn)，因為它們對于整個(gè)板上的阻抗控制和串擾抑制至關(guān)重要。同樣，在低水平運行的板上，堆棧是電源完整性的主要決定因素。

高性能PCB系統通常被設計為多板系統，以適合其外殼。這些系統可以以背板配置（在數據中心中），母板/子板（在高性能計算中）或多個(gè)柔性/剛性-柔性板的復雜布置來(lái)設計。在多面板環(huán)境中工作時(shí)，上述所有區域都會(huì )變得更加復雜。其中最主要的是信號完整性，返回路徑管理和EMI控制，它們會(huì )在電路板內部和外部產(chǎn)生復雜的輻射發(fā)射行為。

高性能PCB電路設計注意事項

高性能PCB系統中電源完整性，信號完整性，EMI，疊層設計和布線(xiàn)之間的復雜關(guān)系需要特別注意你的布局。不良的布局可以讓你診斷潛在的信號噪聲源和電源問(wèn)題，這些問(wèn)題可以通過(guò)正確的設計選擇來(lái)解決。錯誤的布局選擇會(huì )加劇EMI和噪聲問(wèn)題，這在較低速度/較低頻率的系統中是不明顯的。開(kāi)始設計你的下一個(gè)高性能PCB的地方就是你的堆棧，因為這將決定你隨后的阻抗控制，噪聲抑制和布線(xiàn)策略。

一旦收到第一批原型，就需要對其進(jìn)行一系列測試，以確保它們符合你的高性能標準。如果要消除對高器件的一些原型設計和鑒定運行，那么在構建高性能PCB系統時(shí)請考慮以下幾點(diǎn)。

高性能PCB的疊層

盡管在上面的列表中后面提到了層疊設計，但是它應該是你開(kāi)始創(chuàng )建設計的第一位。然后，你的堆棧將確定你的布線(xiàn)和返回路徑策略。對于以亞ns信號上升時(shí)間工作的Gbps板，你很可能會(huì )在多個(gè)信號通道中使用阻抗控制的差分對布線(xiàn)。在這種環(huán)境下，電流消耗可能非常大，但是正確的堆疊將有助于確保電路板運行時(shí)的電源穩定性。電流消耗還會(huì )導致電路板的PDN中產(chǎn)生瞬態(tài)響應，這會(huì )增加驅動(dòng)器輸出中的時(shí)序抖動(dòng)/相位噪聲以及時(shí)鐘抖動(dòng)。

為了控制電路板中的損耗，可能需要使用高k或低k電介質(zhì)的替代基板材料。理想的疊層將使用具有高介電常數（實(shí)部）和非常低的損耗角正切的材料，因為這將提供更高的平面間電容以實(shí)現電源完整性和更低的信號損耗。不幸的是，像大多數工程設計決策一樣，你將無(wú)法在每個(gè)電路板和每個(gè)帶寬上同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求。在這里，布局后和寄生提取仿真對于確保信號不會(huì )由于介電損耗和色散而變得過(guò)分劣化至關(guān)重要。

阻抗控制的傳輸線(xiàn)布線(xiàn)

盡管以較低的速度和較低的頻率運行的設備不會(huì )產(chǎn)生明顯的影響，但所有跡線(xiàn)的行為都將類(lèi)似于傳輸線(xiàn)。當你使用高性能PCB系統時(shí)，情況并非如此。要防止互連中的信號反射，需要對整個(gè)互連進(jìn)行仔細的阻抗控制。由于高性能PCB使用先進(jìn)的多級信號和調制方案，因此在低信號電平下的阻抗控制甚至具有更嚴格的容差。

具有高性能信令標準和調制功能的高性能PCB通常使用差分對來(lái)布線(xiàn)信號，這需要精確的耦合和長(cháng)度匹配以消除偏斜并抑制信號通道中的共模噪聲。你的疊層將部分確定需要使用的走線(xiàn)尺寸，以確保整個(gè)互連的阻抗一致。這也將確定驅動(dòng)程序在輸出電平之間切換時(shí)出現的振鈴級別。跡線(xiàn)也應在盡可能短的路徑上布線(xiàn)，以防止信號失真和傳播過(guò)程中的累積損耗。

如果你想進(jìn)一步了解傳輸線(xiàn)的受控阻抗布線(xiàn)，請閱讀有關(guān)傳輸線(xiàn)阻抗設計和端接的信息。

剛性，剛性-柔性和柔性PCB中的HDI布線(xiàn)

更高的板卡，尤其是在數據中心和移動(dòng)環(huán)境中的板卡，需要在占用空間越來(lái)越小的情況下容納具有高數據速率的多個(gè)通道。在這里，你需要在HDI設計中使用受控阻抗布線(xiàn)，以使系統適合所需的封裝。在移動(dòng)空間中，較新的手機僅使用剛撓性或撓性PCB，以便為更大的電池騰出更多空間。

在不增加移動(dòng)設備占用空間的情況下為所有必需的組件騰出空間，迫使更多的設計師在HDI機制下工作。這涉及使用盲孔和掩埋通孔在層之間和層數更薄的更高層數之間移動(dòng)，所有這些都可能放置在多個(gè)全柔性PCB上。利用HDI板上的差分對，布局后仿真對于確保在整個(gè)互連長(cháng)度范圍內進(jìn)行精確耦合和阻抗控制變得更加重要。

這是有關(guān)高性能PCB的HDI設計的更多信息。

EMI抑制和屏蔽

小尺寸的高性能PCB不僅需要法拉第籠屏蔽，還需要將其限制在器件內部。電路板上的噪聲可能在組件之間傳導，并且可能源于多種來(lái)源，包括電源噪聲，由于強烈瞬變引起的輻射，不匹配的線(xiàn)路上的信號諧振以及開(kāi)關(guān)IC。

屏蔽罐是EMI屏蔽的窮人方法，可能并不適合所有設備。更復雜的技術(shù)，例如通過(guò)圍欄設計，利用帶狀線(xiàn)布線(xiàn)和堆疊設計以及消除噪聲源，對于降低EMI至關(guān)重要。當涉及到高速信令標準時(shí)，由于EMI的原因，差分對也是首先選擇的，因為與單端傳輸線(xiàn)相比，它們可抵抗共模噪聲并具有顯著(zhù)降低的輻射。

PCB中的熱管理

具有高晶體管密度和大電流消耗的組件將產(chǎn)生大量的熱量，需要采用主動(dòng)和/或被動(dòng)的熱管理策略來(lái)將組件溫度保持在安全范圍內。這可能涉及使用散熱器，風(fēng)扇或更極端的熱量管理方法來(lái)散熱。替代性的基材材料（例如陶瓷）在這里起著(zhù)一定的作用，因為這些基材材料的導熱系數比FR4或其他高性能層壓板更高。將主動(dòng)的熱管理策略踢入水冷式超速行駛。

高性能PCB 電路設計和分析

創(chuàng )建高性能PCB就是要使用正確的設計工具并在首次進(jìn)行原型設計之前評估設計。仿真結果將提供基準性能指標，用于比較新板上的測試和測量結果。如果要使設計完美，則需要正確的選擇PCB電路設計公司，上海韜放電子提供專(zhuān)業(yè)的PCB電路設計服務(wù)，如果你有這方面的需求，請與我們聯(lián)系。