1. 首页
  2. 技术文章

高速PCB设计的十大技巧

不久之前,PCB设计师的词汇中还没有出现“高速”一词。但是这些天,似乎恰恰相反。当时,人们所关心的只是将拼图拼凑在一起,并通过物理电路板布局来规划自己的方式。但是采用高速设计?现在需要担心一堆看不见的力量,例如电磁干扰(EMI),串扰,信号反射,等等。这里有一些实用技巧,可以使您的第一个高速设计过程取得成功。

更多数据,更多EMI

在2005年,3 Gbps被认为是典型的高速数据速率,但如今工程师正在处理10 Gbps,甚至25 Gbps。不仅如此,随着我们不断推动越来越快的时钟速率,我们正在使设备尺寸小于满足不断增长的消费者需求。无论您今天进行什么设计,您都可能已经结合了高速设计的某些方面,无论是DDR,PCI Express,USB,SATA等。

高速路由

高速应用程序的复杂性和密度可能会让人有些不知所措。

作为高速的核心,PCB设计是一个干扰问题。数据速率越快,保护信号完整性的问题就越多。这些问题大多数来自电磁辐射。与电路接触时,这种辐射量相对较小,无害。但是,当它开始干扰整个电子设备的运行时,辐射就会成为干扰,电磁干扰(EMI)成为您需要担心的全新的世界。如果您曾经听说过或遇到与噪音有关的问题,那么您就知道我们在说什么。

浪潮

任何电流都会产生磁场,这就是电磁辐射的开始。

因此,您可能想知道,在世界上如何知道您是否在进行高速项目而又没有通过EMI问题发现它呢?这里有几种思想流派,我们将分解前三类:

  1. 频次。首先想到的是,根据PCB的频率及其影响电路性能的能力对高速设计进行分类。对于某些人来说,这意味着50 MHz以上的任何东西。其他人则将其归类为低速(<25 MHZ),中速(25-100 MHz),高速(100-1000 MHz)以及超高速以上的任何存储桶,供RF设计人员使用。
  2. 痕迹。还有一种流派,您可以使用迹线的物理尺寸来确定您是否正在使用高速设备。该准则指出,一旦走线超过设备切换速度的上升时间的三分之一,那么您就拥有了很高的速度。
  3. 分离。最后一个观点采用一般方法,从整体上看待您的电路设计,并提出以下问题–您的系统在物理上是否统一工作?还是您有一堆子电路都被组织成一个更大的电路,并且所有东西都单独工作?后者将您带入高速设计领域。

您即将进行的项目被归类为“高速”吗?伟大的。这就是您需要担心的所有背景噪音,现在让我们深入了解成功设计过程的十大技巧。

#1 –始终从计划开始您的高速设计过程

我们从最明显的技巧开始,但这是有充分理由的。如果没有针对高速设计项目的计划和策略,您很可能会遇到挫折,转折和意外问题。因此,在放置符号或连接网络之前,您需要手头上的某种清单。以下是一些您想问自己的问题:

  • 系统组织–我是否有一个可视化图表,可以帮助我可视化所有子电路之间的互连方式以及建立良好的返回电流?
  • 信号速度–我知道每个信号的最高频率和最快上升时间吗?
  • 电源–我是否已记录了所有IC的每一个电压和电源要求,是否需要拆分任何电源板?
  • 敏感信号–我是否有计划满足对差分信号,受控阻抗以及走线长度或传播的要求?

这些不是您在计划阶段需要问自己的唯一问题,但是它们可以帮助您入门。您可能还需要与制造商合作,以了解其最低公差要求。而且,您需要考虑制定一种策略,通过多种路由方法(包括微带线或带状线走线)来降低高速信号上的噪声水平。

高速数字设计:黑魔法手册

被许多人称为高速设计的万事通书。从学习开始您的计划!

#2 –记录下您制造过程中电路板堆叠的每个细节

为了从技巧1的规划阶段开始,现在是时候彻底定义和记录您的层堆叠需求了。这是与制造商一起确定木板的材料以及将哪些特定的约束条件输入到设计规则中的绝佳时机。就材料而言,您可能会使用以下其中一种:

  • FR-4 。当您以<5Gbps的时钟速度工作时,这是一种很好的材料,并且被归类为低速材料。FR-4具有良好的阻抗控制能力,并且还以其低成本而著称。
  • Nelco,SI或Megtron 。在高速设计领域,您可能会使用这些材料。每个都适合5-25 Gbps的时钟速度。
  • 罗杰斯(Rogers)。如果您的第一个高速设计正在推动56Gbps,那么您最终可能会使用Rogers层压板。这是一种高频,高温材料,以良好的阻抗一致性而著称,但生产成本也很高。
物质

与FR4相比,罗杰斯的外观有些不同,请注意厚度!

一旦知道了材料,就需要制造电路板;现在是时候记住其他一些层堆叠策略了。

  • 首先,您始终需要将信号层放置在与平面层相邻的位置,以为您的信号提供有效的返回路径。
  • 还值得考虑的是,将所有高速信号在电路板的内层之间的平面之间路由,这将屏蔽所有外部发射的辐射。
  • 最后,还要考虑在层堆叠中使用多个接地平面。这将有助于降低参考阻抗并减少共模辐射对电路的影响。

#3 –楼层平面图–组织电路板

按照规划高速设计要求和层堆叠的思路,您还需要考虑如何组织电路板。还记得上面提到的如何基于子电路集合对高速设计进行分类的时候吗?您需要确定所有这些子电路在较大设计中的放置位置。

对于数字和模拟部分尤其如此,需要仔细隔离这些部分以减少任何潜在的干扰。在规划布局的物理组织时,请考虑下图所示的内容。这位工程师显然使数字远离模拟,并且“电源”部分与数字和模拟隔离。

PCB平面规划

知道您所有电路的去向吗?

#4 –知道如何使用电源和地平面

现在已经完全定义了计划和层堆叠,是时候深入了解设计时需要考虑的细节。首先是您的地平面,它需要完整。这样,我们的意思是不要将您的接地层与任何路由信号分开。如果在此平面上创建分裂,则信号将必须绕过空隙,这可能会导致一些令人讨厌的EMI和信号时序问题。如果确实需要分割接地层,请确保在信号走线旁边添加一个0欧姆电阻,以便您的返回信号具有桥接,以简化其返回路径。

split_plane

信号必须在分离平面上进行的额外工作的一个很好的例子。

#5 –最小化焊盘图案的大小

您过去从事的任何PCB设计都可能具有比必要的更大的焊盘。这样做是出于明显的原因。这样可以更轻松地将电烙铁安装在焊盘上,检查速度更快,并且零件放置精度不再是问题。

但是,采用高速设计时,您的电路板空间将非常宝贵,您可以节省的每一英寸空间都将使其变得合适。有鉴于此,我们建议将所有焊盘的最小尺寸保持在组件引脚尺寸的0-5%。相比之下,标准电子设计的传统超大尺寸约为30%。

为什么空间下降?这不仅有助于提高机械强度,而且还可以减少寄生电容,这在处理高频信号时非常有用。最重要的是,为焊盘提供的空间越少,差分对,过孔以及诸如FPGA或IC之类的高引脚数部件的空间就越大。

#6 –传递信号以获得最大的屏蔽效益

当电路板上的高频信号从信号源传播到接收器时,它们会发出大量电磁辐射。最后要发生的事情是使两个信号相互干扰,或者使附近的组件相互干扰。为避免电路板上的冲突并最大程度地屏蔽信号,请考虑以下准则:

  • 确保在板上至少保持较长的并行信号,以避免任何信号耦合或串扰。
  • 在信号迹线之间保持尽可能远的距离,如果信号特别嘈杂,甚至可以考虑在单独的层上路由信号。
  • 在不同层上路由信号时,请确保将它们相互正交路由。也就是说,在一个信号层上,走线将水平布线,而在另一层上垂直走线45度,依此类推。
正交层

每层都不同的方向上正交布线以避免耦合。

#7 –提供有效的电流返回路径

在高速设计中,您的每个信号都将沿着阻抗最小的路径寻找从源到沉的路径。对于系统时钟和其他高速I / O设备,确保平稳的行进路径可能需要使用通孔。没有这些,您可能会发现自己的电流在接地平面中的裂口周围扩散,从而导致信号完整性损失。

过渡孔

过渡过孔可以在高速布局上快速将您的走线从源头转移到接收器

如果您发现自己使用过孔将电流返回到其端接,请确保使用紧密耦合,阻抗匹配的差分过孔以确保信号按时到达。并且在放置返回通孔时,应将它们尽可能靠近信号通孔放置,以最大程度地缩短信号传播的长度。

#8 –使用3W规则最小化走线之间的耦合

让您的传输线耦合可能会给传输中的信号完整性带来坏消息。尽管总有一条规则,即尽量使迹线尽可能地分开以最大程度地降低这种风险,但在执行时会变得有些模糊。

如果您曾经想过要保持多远的走线以最大程度地减少耦合,请使用3W规则。它指出,从中心到中心进行测量时,迹线之间的距离必须是单个迹线宽度的三倍。您还可以将此间隔从三倍增加到10倍,从而在减少耦合和串扰方面获得更大的收益。

3w规则

3W规则将使您的走线尽可能远,以最大程度地减少耦合。

#9 –使用20H规则最小化平面耦合

除了存在个别走线耦合的风险外,您还必须担心布局中电源和接地层之间的耦合。如果这两对夫妇,您将得到射频辐射从电路板边缘溢出的现象,称为边缘现象。

为了防止这种情况的发生,您需要使与接地平面相邻的任何电源平面都小于接地平面。这将使任何边缘都吸收到接地平面中,而不是从外部辐射出去。虽然小了多少?使用20 theH规则,该规则使您的电源计划比相邻电源和接地层之间的电介质厚度小20倍。

20小时规则边缘化

20ᐧH规则有助于减少电源和接地层之间的耦合。

#10 –完成常规路由准则

要完成我们的十大技巧,路由确实值得一写,甚至可能是一本解决诸如射频,微波或天线设计之类的书。此列表并不详尽,因此请务必寻求经验丰富的工程师针对特定于应用程序的路由技术的建议。开始了:

  • 90度否。第一个始终是避免在迹线中使用90度角弯曲。直角走线会导致信号反射。
  • 差分对。仅当差分对中的两个信号的长度和间隙相同时,您才能获得消除电磁场的好处。这可能需要在PCB设计软​​件中进行一些长度匹配调整。
  • 传输线。花些时间使用微带线或带状线走线仔细设计传输线。微带走线将仅提供一个被电介质隔开的参考平面。如果需要更多的屏蔽功能,则带状线将在多个接地层和电介质之间放置走线。

高速设计的新解决方案

在进行第一个高速PCB设计项目时,一定会发现一些新问题。它不再只是将拼图块装配在一起,直到一切都变得合适为止。现在,您必须担心走线中的那些信号到底在做什么,以及它们如何影响电路板上的零件。所有这些实际上都归结为EMI问题。而且,当您深入研究高速设计领域时,您将开始掌握使用EMC来抵抗EMI或电磁兼容性的策略和知识。因此,请考虑以下十大技巧,它们足以使您开始第一个项目,但仍有很多东西要学习!

本文来自投稿,不代表魔猪智造立场,如若转载,请注明出处:https://5gintellect.cn/1342

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

联系我们

服务热线:130-0886-1890

QR code