船電技術(shù)|應(yīng)用研究VoL.30 No.5 2010.5高速PCB設(shè)計技術(shù)李鵬飛(海軍工程大學(xué)，武漢430033)摘要:在高速系統(tǒng)中，噪聲的產(chǎn)生是-一個最值得關(guān)注的焦點，高頻信號很容易由于輻射而產(chǎn)生干擾，本文針對PCB設(shè)計介紹了幾種高速電路設(shè)計技術(shù)，通過這些設(shè)計技術(shù)，可以消除高頻噪聲.關(guān)鍵詞:高速PCB端接串?dāng)_EMI中國分類號: TP334.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A.文章編號: 1003-4862(2010)05-0038-04High Speed PCB Design TechnologyLi Pengfei(Naval Univ. of Engineering , Wuhan 430033, China)Abstract: In high speed system, the existence of noise is a focal point deserved to be pay attention to. Highfrequency signal is easy to produce interference due t0 radiation. For PCB design, several high speed circuitdesign technology are recommended in this paper through which can eliminate high frequency noise.Key words: high speed; PCB,; termination; crosstalk; EMI在高速電路板設(shè)計中最重要的考慮就是電源1引言的分配網(wǎng)絡(luò)。電源分配網(wǎng)絡(luò)必須為低噪聲的電路隨著系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提板.上各部分的電路，提供-一個低噪聲的電源。電高，電子系統(tǒng)設(shè)計師們正在從事100 MHz以上的源分配網(wǎng)絡(luò)同時還得為電路板上所有產(chǎn)生或接收電路設(shè)計，總線的工作頻率也已經(jīng)達(dá)到或者超過信號提供一個信號回路。50MHz,有的甚至超過100MHz.目前約50%時2.1電源分配網(wǎng)絡(luò)作為電源鐘的設(shè)計頻率超過50 MHz,將近20%的設(shè)計主實際電源具有一定的阻抗，如圖1所示，圖頻超過120 MHz。在高速系統(tǒng)中，噪聲的產(chǎn)生是中以電阻、電感、電容網(wǎng)絡(luò)的形式表示。事實上，-一個最值得關(guān)注的焦點，高頻信號很容易由于輻阻抗是分布在整個電源分配網(wǎng)絡(luò)中，因此，噪聲射而產(chǎn)生干擾，高速變化的數(shù)字信號會導(dǎo)致振鈴、將疊加在電源上。設(shè)計的目標(biāo)是要盡可能的減小反射、串?dāng)_等，除非使用高速電路設(shè)計技術(shù)，否電源分配網(wǎng)絡(luò)的阻抗。則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計的PCB將無法工作。oVcc因此，高速電路設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計師必須采取的設(shè)計手段。只有通過使用高速↓電路設(shè)計師的設(shè)計技術(shù)，才能實現(xiàn)設(shè)計過程的可↓↓控性。圖1實際電源特 性圖.2電源 分配網(wǎng)絡(luò)及其影響電源分配網(wǎng)絡(luò)的形式可分為總線式和電源層式。早期的設(shè)計，由于PCB加工工藝機(jī)成本的制約，中國煤化工.電源總線與信收稿日期: 2010-02-08號線M.HCNMH G件提供電源，同作者簡介:李鵬飛(1978-), 男，工程碩士，研究方時還待為舊號線擁中工間，所以電源線總是趨于向:導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。38V.l.30 No.5 2010.5船電技術(shù)|應(yīng)用研究長且細(xì)的帶狀線。這就相當(dāng)于電源線上串有一個小。如果傳輸線和負(fù)載端的阻抗不匹配，那么輸小電阻，盡管這個電阻很小，但它的影響卻很大。出的電流信號和信號最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這而對于電源層式的電源分配方案由于電源通過整就引起信號在接收端產(chǎn)生反射，這個反射信號將個層的金屬來分配電源，其電源阻抗會小得多,傳回信號發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減所以電源噪聲也會比總線式的小得多。弱反射信號的幅度將減小，直到信號的電壓和電單電源層并不能消除電源的線路噪聲，因為流達(dá)到穩(wěn)定。.所有的系統(tǒng)產(chǎn)生足夠引起問題的噪聲，不管采用3.1端接哪種電源分配方案，電源線路都需要抑制噪聲的傳輸線產(chǎn)生反射，導(dǎo)致信號失真,在負(fù)載端濾波。通常使用去藕電容來濾波，一般的，放置產(chǎn)生振鈴，使系統(tǒng)速度變慢，,所以需要-種技術(shù)一個1~10μF的去藕電容在電源接入電路板處，來消除，至少減小這個反射。由于反射在Zo=Zi濾除低頻噪聲;放置-一個0.01~0.1 μF的去藕電時，才能消除，所以可以通過在負(fù)載端并聯(lián)- -個容在板上每- -個有源器件的電源管腳處，濾除高電阻來減小負(fù)載阻抗到Zr= Zo以消除第一次反射頻噪聲。一這種方 法稱為并聯(lián)端接。也可以通過在輸出2.2電源分配網(wǎng)絡(luò)作為信號回路端串聯(lián)一個電阻來增加源阻抗到Zs= Zo以消除第信號開關(guān)時能量的產(chǎn)生是高速電路中產(chǎn)生噪二次反射一-這種方法稱為 串聯(lián)端接。聲的根源。任一信號的開關(guān)，都產(chǎn)生一個交流電并聯(lián)端接如圖2.a所示，由于輸入阻抗往往流,而電流需要一個回路，信號的回路可由VCC都很高，所以通常使R-=Zo,這種方法有一個缺或地提供。信號線與信號回路構(gòu)成一個電流環(huán)路，點:高電平輸出時的電流消耗太大。如圖2.b所這個電流環(huán)路有一定的電感量，所以可以把它看示的方法，是將并聯(lián)電阻端接在一個3V到2.5 V成- -個線圈。這可能惡化信號的振鈴、串?dāng)_、輻的電源上，但是很遺憾，很難找到-一個能高速地射。環(huán)路的電感量和它所引起的問題，會隨著環(huán)從吸收電流轉(zhuǎn)換到輸出電流的電源來響應(yīng)信號的路包圍的面積增大而增大。所以，最小化環(huán)路面調(diào)變。圖2.c所示的方法可以大大減小對輸出電積，將最小化由電路環(huán)路引起的振鈴、串?dāng)_、輻流的需求，兩個電阻的戴維寧等效與圖2.a一致，射等問題。盡管這是一個很好的想法，但它要求有更大輸出電源總線有固定的線路，信號的回路只有沿電流的電源，因為這兩個電阻是跨接在VCC與著這些線路走，不管是不是最佳路線。除非布線地之間的。時將信號線布在盡可能靠近電源線，以最小化信以上三種并聯(lián)端接都不實用，還有一-種并聯(lián)號回路，否則很容易產(chǎn)生大的信號回路，從而產(chǎn)端接方法，如圖2.d所示，是用一個串聯(lián)RC網(wǎng)生較大的噪聲。而電源層作為信號回路，并不限絡(luò)作并聯(lián)端接，這樣對輸出驅(qū)動來說，就不存在制信號回路的路徑，回路總能沿著阻抗最小的路直流負(fù)載了。這種端接方法稱為交流并聯(lián)端接。徑走，從而減少噪聲。所以電源層式電源分配系在負(fù)載端的端接設(shè)計是為消除信號的第-次統(tǒng)是一個更好的解決方案。反射。還有一個消除反射的方法一串 聯(lián)端接，是在輸出端串聯(lián)一一個電阻，這個電阻可以認(rèn)為是3信號傳輸線及其相關(guān)設(shè)計規(guī)則源阻抗的一部分，這樣就可以增加源阻抗到當(dāng)信號延遲時間遠(yuǎn)大于信號跳變時間時，信Rr+Zs=Zo以消除第二次反射，如圖2.c所示，這.號線必須當(dāng)作傳輸線。PCB板上的走線可等效為種端接對于集總負(fù)載工作有很好的效果。串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。串聯(lián)電阻通常一個非常匹配的端接是不可能的，因為的典型值0.25-0.55 ohms/foot, 因為絕緣層的緣驅(qū)動器的高電平輸出阻抗和低電平輸出阻抗是有故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容差別的，設(shè)施端接電阻的選擇變得很難，因為不和電感加到實際的PCB連線中之后,連線上的阻可能” 中國煤化寧的端接電阻，設(shè)抗稱為傳輸線阻抗Zo.線徑越寬，距電源/地越計者近，或隔離層的介電常數(shù)越高，傳輸線阻抗就越*TYHCNMHG39船電技術(shù)應(yīng)用研究Vol.30 No.5 2010.5串?dāng)_是信號間不希望有的耦合，串?dāng)_分容性鄉(xiāng)R=Zo -。Rw=ZoOVHus .串?dāng)_和感性串?dāng)_。容性串?dāng)_就是信號線間的容性耦合，當(dāng)信號線在一定長度 上靠得比較近時就會a)b)發(fā)生。感性串繞可以想象成信號在-一個不希 望有Vo的寄生變壓器初次級之間的耦合，串繞的大小取決于兩個環(huán)路的靠近程度和環(huán)路面積的大小及所= -RWRx=Lovu(RR)影響的負(fù)載的阻抗，兩個信號環(huán)路靠得越近、環(huán)R路面積越大，串?dāng)_也越大。jRr-Zo . 醫(yī)+Cr)圖2 a)~d)并聯(lián)端接 e) 串聯(lián)端接圖3 a)樁線b)改進(jìn)方法3.2傳輸線的布線規(guī)則感性串?dāng)_占的比例要比容性串?dāng)_大得多，串合適的端接將確保信號的抗干擾性，但仍然擾可以通過以下一些簡單的辦法來有效的抑制:有可能因為不適當(dāng)?shù)牟季€導(dǎo)致較大的噪聲。下面1)由于容性串?dāng)_和感性串?dāng)_的大小均隨負(fù)載的布線規(guī)則可能增強(qiáng)電路板的性能:阻抗的增大而增大，所以應(yīng)對串?dāng)_引起的干擾敏1)避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性.阻抗不連續(xù)感的信號線進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私?點就是傳輸線突變的點，如直拐角、過孔等，它2)增大信號間的距離可以有效地減小容性串將信號的反射產(chǎn)生所以應(yīng)盡可能避免。布線時注擾意以下幾點:3)在相鄰信號間插入-根地線也可以有效減*避免走線直拐角，盡可能用45°角或弧線小容性串?dāng)_,這根地線需每1/4 波長就接入地層;走線; .4)對于感性串繞,應(yīng)盡量減小環(huán)路面積，如●盡可能少用過孔，因為每-一個過孔都是一果 允許的話，消除這個環(huán)路;個阻抗不連續(xù)點;5)避免信號共用回路。*外層的信號避免通過內(nèi)層，內(nèi)層的信號也.4電磁干擾(EMI)避免跑到外層。因為內(nèi)層信號屬于帶狀線，而外層信號屬于微波線，兩種不同類型的傳輸線的阻EMI(Electro-Magnetic Interference)即 電磁干抗是不同的，如果信號從內(nèi)層到外層，或從外層擾，產(chǎn)生的問題包含過量的電磁輻射及對電磁輻到內(nèi)層，就會產(chǎn)生反射。射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電2)不要用樁線。布線時很容易走出如圖3.a運(yùn)行時，會對周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周那樣的樁線，這些都是噪聲源。如果樁線很短，圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原那末只需在傳輸線的末端端接就可以了，盡管分因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。布的負(fù)載降低了傳輸線的阻抗。如果傳輸線足夠減小EMI的途徑通常有:屏蔽、濾波、最小長的話，也是一條條的傳輸線，它以主傳輸線為化電流環(huán)路和盡量降低器件的速度。屏蔽不在本源，同樣產(chǎn)生反射，情況就會變得很復(fù)雜。所以文討論范圍，以下討論其它幾種減小EMI的方應(yīng)避免長的樁線，可以改成如圖3.b所示的兩條法走線，并在兩條線的末端都做端接。4.1中國煤化工3串?dāng)_ 及其消除HCNMHG不可避免的。環(huán)路相當(dāng)于一個天線，最優(yōu)化環(huán)路引起的EMI問I0Vol.30 No.5 2010.5船電技術(shù)|應(yīng)用研究題,意味著要減小環(huán)路的數(shù)量及環(huán)路的天線效應(yīng)、(2)磁性元件。別產(chǎn)生人為的環(huán)路、盡量減小環(huán)路的面積。磁性元件是由鐵磁材料構(gòu)成的，用于抑制高確保信號在任意兩點上只有唯- --條回路路頻噪聲，工作原理如圖5所示。磁性元件并不增徑，可以避免人為環(huán)路。盡可能地用電源地層,加線路的直流阻抗，這使得它非常適合用在電源這樣可以保證信號的自然路與信號的環(huán)路面積最線.上作噪聲抑制器。常見的有磁珠、磁環(huán)、扁平小。在用電源地層時，應(yīng)注意信號回路不被阻塞。磁夾子。4.2濾波....[.在電源線上經(jīng)常采用濾波的方法來減小EMI,有時也用在信號線上。信號線的濾波只被2|推薦為最后手段，當(dāng)其它方法無法消除信號噪聲時。濾波通常有三種選擇:去藕電容、EMI濾波圖5磁性元件工作 原理器、磁性元件.去藕電容已在前面討論過了.EMI4.3器件的速度濾波器的種類很多,應(yīng)用在不同頻率范圍的都有。在給定的頻率范圍內(nèi),器件產(chǎn)生的能量越少,磁性元件則是用于高頻抑制的。輻射的噪聲就越小。高速器件跳變的時間更短，(1)EMI濾波器。EMI濾波器是商業(yè)性的器件,設(shè)計用于衰減意味著在高頻范圍里有更多的能量,也就是產(chǎn)生高頻噪聲，主要用在電源線的濾波。EMI濾波器更多的噪聲。如果系統(tǒng)要求的速度很高，那么必須要用足是電容、電感的組合，選擇怎樣的組合取決于濾夠高速的器件，為此可能需要做出額外的努力以波器接入端的阻抗大小，通常有幾種組合:穿心滿足EMC,這也是合理的。但如果更低速的器件電容、L型濾波器、π型濾波器、T型濾波器，如可以滿足系統(tǒng)的要求，那就沒有必要用高速的器圖4所示。件。5結(jié)語=高速電路設(shè)計是一個非常復(fù)雜的設(shè)計過程，a)b)本文所闡述的方法就是專門針對解決這些高速電o示m不-0 om不mo路設(shè)計問題的。此外，在進(jìn)行高速電路設(shè)計時有多個因素需要加以考慮,這些因素有時互相對立。如高速器件布局時位置靠近，雖可以減少延時，;)d但可能產(chǎn)生串?dāng)_和顯著的熱效應(yīng)。因此在設(shè)計中,需權(quán)衡各因素，做出全面的折衷考慮;既滿足設(shè)圖4 a)穿心電容b) L型濾波器計要求，又降低設(shè)計復(fù)雜度。高速PCB設(shè)計手段c) π型濾波器d) T型濾波器的采用構(gòu)成了設(shè)計過程的可控性，只有可控的，●穿心電容，只是一個電容，適用于兩端都才是可靠的。為高阻抗的場合，但它不提供接入兩端之間的高參考文獻(xiàn):頻隔離。* L型濾波器，適用于兩端阻抗相差較大的[1] 田廣錕.高速電路PCB設(shè)計與EMC技術(shù)分析.北京:電子工業(yè)出版社, 2008.場合，電感端接入到阻抗低的一端。* π型濾波器，與穿心電容一樣，適用于兩[2]曾峰，鞏海洪，曾波. PowerPCB高速電子電路|版社，2004.端都為高阻抗的場合，但它提供更高的衰減。[3] N中國煤化工電路板設(shè)計，北京:◆T型濾波器，適用于兩端都為低阻抗的場THCNMHG合41