您可(kě)以在 2 层 PCB 上路由数字信号吗？

2021-10-20

您可(kě)以在 2 层 PCB 上路由数字信号吗？

2 层 PCB 是爱好者最好的朋友。如果净计数足够低，它们很(hěn)容易在您的设计软件中定义，并且布線(xiàn)也很(hěn)简单。虽然我通常不会处理(lǐ)只能(néng)在 2 层上完成的工作，但知道如何正确使用(yòng)这些板仍然很(hěn)重要。如果你很(hěn)聪明，你甚至可(kě)以使用(yòng)这些板来路由一些高速接口。

在本文(wén)中，我想了解设计将使用(yòng)高速串行接口的 2 层 PCB 的一些重要规则。只要遵循一些基本的布線(xiàn)规则，就可(kě)以在 2 层電(diàn)路板上轻松完成 USB 或 SPI 之类的操作。我将在下面介绍的内容应该是在 2 层 PCB 布局中路由数字信号的起点。

需要注意的一点：您不应该期望该板能(néng)够通过 EMC 测试而进入这样的 2 层项目。确保 EMC 将取决于许多(duō)与電(diàn)源、接地、外壳、板上的组件和電(diàn)路以及许多(duō)其他(tā)因素相关的因素。希望这能(néng)让您很(hěn)好地介绍如何在不产生信号完整性问题的情况下完成 2 层 PCB 的布局布線(xiàn)部分(fēn)。

2 层数字電(diàn)路板入门

2 层 PCB 布局很(hěn)有(yǒu)趣，因為(wèi)它们通常是大多(duō)数设计师的入门级。大多(duō)数涉及中等速度 MCU（可(kě)能(néng)是 5-10 ns 上升时间）、一个通用(yòng)串行总線(xiàn)（如 SPI）和更简单的高速数字接口的设计都可(kě)以在 2 层板上正常运行，只要它们不是太密集并且您不会违反一些基本的路由规则。然而，这些设计经常违反很(hěn)多(duō)信号完整性规则并产生/接收过多(duō)的 EMI。因此，该板在技术上可(kě)能(néng)按您的预期运行，但它可(kě)能(néng)永遠(yuǎn)无法通过 EMC 测试，因此您将无法出售它。

首先，在使用(yòng)数字信号的 2 层板设计中需要考虑以下几点：

阻抗控制：您的任何接口都需要阻抗控制吗？如果是这样，请记住，您不会在标准 PCB 厚度上达到阻抗要求。

走線(xiàn)長(cháng)度：因為(wèi)我们无法满足 2 层板上的阻抗控制要求，所以我们必须将走線(xiàn)長(cháng)度保持在某个临界長(cháng)度以下。一些接口对阻抗非常宽容并且具有(yǒu)很(hěn)長(cháng)的临界長(cháng)度，但您需要计算長(cháng)度限制。

接地通路：為(wèi)了确保数字路由中的低串扰和低 EMI，您需要提供具有(yǒu)清晰返回路径的接地通路。

零件/网数：在 2 层板上，您的布線(xiàn)空间有(yǒu)限，因此您不能(néng)有(yǒu)太多(duō)零件。一旦您尝试包含太多(duō)部件并且布線(xiàn)中有(yǒu)很(hěn)多(duō)交叉，您将不得不使用(yòng) 4 层板，或者您将不得不使您的 2 层板太大。

数字信号和阻抗

在使用(yòng)数字逻辑时，尤其是在 2 层板中，重要的是要注意并非所有(yǒu)数字信号都有(yǒu)阻抗要求。有(yǒu)时，如果他(tā)们这样做，您可(kě)以违反它并且界面将正常工作。这在 2 层板中很(hěn)重要，因為(wèi)走線(xiàn)的宽度需要具有(yǒu)特定值才能(néng)达到阻抗目标。

举个例子，考虑一个标准厚度 62 mil 核心 (Dk = 4.8) 的 2 层板。如果我们想要达到标准的 50 欧姆阻抗目标，那么我们需要有(yǒu) 110 密耳的走線(xiàn)宽度！这是一个巨大的走線(xiàn)宽度，遠(yuǎn)大于您将放置在真实電(diàn)路板上的任何数字组件的焊盘尺寸。為(wèi)了确定这一点，我使用(yòng)了基于 IPC 2141 公式的在線(xiàn)微带線(xiàn)阻抗计算器。

带有(yǒu)接地层的简单 2 层板的阻抗计算结果。

在線(xiàn)计算器不会给出最准确的结果，但上述结果说明了一个重要的观点：您不可(kě)能(néng)在 2 层 PCB 上进行阻抗控制并期望在布局中适合所有(yǒu)内容。

这是我们需要為(wèi)您的走線(xiàn)设置長(cháng)度限制的地方。当信号在其上升时间内行进的距离遠(yuǎn)大于走線(xiàn)的長(cháng)度时，则走線(xiàn)的阻抗无关紧要。在这种情况下，信号只在传播过程中看到负载的阻抗。确切的長(cháng)度限制取决于多(duō)种因素，但保守的规则是将走線(xiàn)長(cháng)度限制设置為(wèi)信号传播距离的 1/10。

举个例子，让我们使用(yòng)上图中的传播延迟和 5 ns 上升时间信号。在上述情况下，传播速度為(wèi) 6 英寸/纳秒(miǎo)。所以这意味着，如果我们有(yǒu)一个 5 ns 上升时间信号，那么该信号将在其上升时间内行进 30 英寸，因此我们的最大走線(xiàn)長(cháng)度将是该信号的 1/10，即 3 英寸。我们实际上可(kě)以比 1/10 的長(cháng)度限制更不保守。如果我们设置 1/4 的長(cháng)度限制，我们的最大走線(xiàn)長(cháng)度為(wèi) 75 英寸。

与走線(xiàn)長(cháng)度相比，缓慢上升时间用(yòng)于验证设计是否需要在 2 层 PCB 上进行紧密的阻抗匹配。

根据您在通道接收器端可(kě)以容忍的阻抗违规程度，只要長(cháng)度很(hěn)短，您肯定可(kě)以自由地使用(yòng)典型的数字协议来实现 2 层板。

一些数字信号的 2 层路由指南

这些基本指南的目标是确保您的数字设计具有(yǒu)尽可(kě)能(néng)低的噪声，鉴于 2 层板的结构，这很(hěn)困难。

在底层放置一个地平面，然后在顶层放置数字组件和布線(xiàn)。这不会帮助您在布線(xiàn)时进行阻抗控制，但无论如何您都应该这样做以帮助控制噪声并让您轻松地通过通孔接地。

使用(yòng)固定的走線(xiàn)宽度来路由電(diàn)源和信号。8-10 mil 走線(xiàn)适合路由数字信号，12-14 mil 过孔适合将信号转换回接地层。如果您使用(yòng)高電(diàn)流工作，電(diàn)源可(kě)以用(yòng)多(duō)边形布線(xiàn)，但在大多(duō)数情况下，您可(kě)以使用(yòng)更宽的走線(xiàn)。

使用(yòng)去耦/旁路電(diàn)容器以确保稳定的電(diàn)源和低接地反弹。2 层電(diàn)路板可(kě)能(néng)会出现接地反弹，并且電(diàn)源轨上可(kě)能(néng)会出现一些噪声，但去耦/旁路電(diàn)容器会抑制这种噪声。

在我们 2 层板系列的下一部分(fēn)中，我将展示如何為(wèi) USB 实现这些设计指南，USB 绝对可(kě)以算作高速数字接口。如果您熟悉 USB，您就会知道它是一种快速接口，通常需要阻抗控制路由。但是，根据上面显示的指南，您可(kě)以获得使用(yòng)此接口的功能(néng)性 2 层板。请注意，您可(kě)能(néng)没有(yǒu)完全无噪声的電(diàn)路板，所以不要指望这种布局能(néng)够通过EMC 测试。但是，作為(wèi)您最喜欢的微控制器的开发板，它应该可(kě)以正常工作。