PCB阻抗控制的设计建议

2021-10-13

PCB阻抗控制的设计建议

放置和布線(xiàn)的電(diàn)路板

正如他(tā)们所说，凡事都要付出代价。我们都喜欢智能(néng)手机放在我们手掌中的大量计算能(néng)力，但这种功能(néng)的代价是设计复杂性的巨大增加。随着工程师在设计中解决信号完整性问题，高频、更快的设备开关速度以及更高的噪声和干扰量使 PCB布局变得更加复杂。

我们不能(néng)再将電(diàn)路板走線(xiàn)布線(xiàn)视為(wèi)简单的点对点连接。布局设计人员必须了解其设计中的关键网络要求并相应地布局電(diàn)路。这些走線(xiàn)必须被视為(wèi)传输線(xiàn)，并进行配置和布線(xiàn)以实现最佳阻抗控制，以确保它们提供最清晰的信号质量和完整的数据完整性。為(wèi)此，这里有(yǒu)更多(duō)关于電(diàn)路板布局中 PCB阻抗控制的详细信息。

对 PCB阻抗控制的需求

電(diàn)容和電(diàn)感的组合产生对電(diàn)流的阻碍，称為(wèi)阻抗。PCB设计中的所有(yǒu)電(diàn)線(xiàn)和迹線(xiàn)都会产生一些阻抗，以欧姆為(wèi)单位。由于分(fēn)布在電(diàn)路板上的不同环境，阻抗值可(kě)能(néng)会发生变化或被视為(wèi)“不受控制”。虽然不受控制的阻抗对于 PCB 上的许多(duō)電(diàn)路来说可(kě)能(néng)不是问题，但它会极大地影响高频信号。

在更高的频率下，信号的行為(wèi)更像是高速传输線(xiàn)，而不是常规的点对点连接。这些信号的成功取决于它们在源和负载之间的清晰传输和接收。然而，随着整个布線(xiàn)線(xiàn)路中阻抗值的变化，信号可(kě)能(néng)会被反射并沿与原始信号相反的方向传播。这种反射会叠加在初始信号上，造成失真，从而导致发射器和接收器之间的信号轮廓发生变化。这种失真会降低信号的完整性，可(kě)能(néng)会导致其无法实现其预期功能(néng)。

為(wèi)了防止此类信号完整性问题，高频传输線(xiàn)電(diàn)路必须通过走線(xiàn)，阻抗值在整个線(xiàn)路中得到均匀控制。这是通过控制导電(diàn)迹線(xiàn)的几何形状和迹線(xiàn)穿过的环境来实现的。通过指定走線(xiàn)宽度和铜重来控制走線(xiàn)，而通过仔细选择包含走線(xiàn)的介電(diàn)材料来控制环境，以获得适当的 Dk（介電(diàn)常数）值。使用(yòng)专用(yòng)布線(xiàn)层配置板层叠层也很(hěn)重要，用(yòng)于控制阻抗線(xiàn)靠近或夹在两个接地层之间。这通常称為(wèi)微带或带状線(xiàn)配置。最后，控制阻抗 环境将调节走線(xiàn)和平面之间的介電(diàn)间距以及与其他(tā)走線(xiàn)的间距。

接下来，我们将更深入地研究 PCB阻抗控制布線(xiàn)的板层堆叠。

電(diàn)路板上的差分(fēn)对布線(xiàn)

為(wèi)阻抗控制布線(xiàn)设置 PCB 层堆叠

正如我们所见，控制敏感走線(xiàn)的阻抗取决于以下因素：

走線(xiàn)几何形状：必须仔细选择走線(xiàn)中铜的横截面體(tǐ)积，因為(wèi)在阻抗计算中必须考虑走線(xiàn)宽度和厚度（铜重量）。

介電(diàn)材料：用(yòng)于支撑走線(xiàn)并使其与接地层绝缘的非导電(diàn) PCB 材料的介電(diàn)常数(Dk) 值也是阻抗计算的一部分(fēn)。

间距：计算的最后一部分(fēn)是信号走線(xiàn)与相邻地平面之间的垂直间距以及与其他(tā)信号走線(xiàn)的间距。

為(wèi)了成功控制传输線(xiàn)布線(xiàn)的阻抗，介電(diàn)板材料必须与走線(xiàn)几何形状相匹配。这可(kě)能(néng)需要用(yòng)于 PCB 制造的特定材料类型以及对迹線(xiàn)几何形状和间距值的调整。介電(diàn)材料的 Dk 值会随频率而变化，因此每块電(diàn)路板的阻抗计算会根据電(diàn)路的频率而有(yǒu)所不同。设计人员可(kě)以使用(yòng)在線(xiàn)计算器来确定板层堆叠，而且大多(duō)数 PCB设计系统都包含自己的阻抗计算器。此外，電(diàn)路板制造商(shāng)通常可(kě)以帮助进行这些计算。

PCB 制造商(shāng)了解電(diàn)路板材料和電(diàn)路需求之间的关系，因為(wèi)他(tā)们拥有(yǒu)构建多(duō)种高速设计的经验。只要他(tā)们从您那里获得以下数据，他(tā)们就可(kě)以帮助您进行板层堆叠配置：

板上单端和差分(fēn)对控制阻抗布線(xiàn)的目标阻抗。

用(yòng)于受控阻抗布線(xiàn)的所需板层。

目标板材料。

有(yǒu)了这些信息，電(diàn)路板制造商(shāng)通常可(kě)以推荐对您的设计最有(yǒu)效的板层堆叠配置。许多(duō)制造商(shāng)还可(kě)以直接与您的 CAD 系统交换此 PCB 层数据，以减少出错的可(kě)能(néng)性并增加您的设计时间。

让我们看看如何设置您的 PCB设计系统，以实现最有(yǒu)效的 PCB阻抗控制传输線(xiàn)布線(xiàn)。

Cadence Allegro 的约束管理(lǐ)器用(yòng)于為(wèi)差异对设置设计规则

在布局工具中充分(fēn)使用(yòng)设计功能(néng)

PCB 叠层中各层的材料选择、层宽和配置对于控制阻抗都很(hěn)重要。但是，除了叠层之外，还应设置设计的其他(tā)参数以帮助控制阻抗布線(xiàn)。其中一些参数是直接相关的，例如走線(xiàn)宽度和间距，而其他(tā)参数将简化您的布局工作。

示意图

在开始布局之前，花(huā)点时间确保原理(lǐ)图已经准备好。显然，原理(lǐ)图将继续更改以进行设计增强和更改，但它应该准备好与 PCB布局数据库同步。这包括确保其组件得到批准和更新(xīn)，受控阻抗信号被归类為(wèi)差分(fēn)对或单端网络，以及将一些基本规则和类别输入数据库。

设计参数

许多(duō)设计师将参数保留為(wèi)默认设置，但根据您的个人喜好修改这些参数可(kě)以使您在布局期间的工作更轻松。选定的网络颜色、填充图案和高光只是可(kě)以提高工具效率的一小(xiǎo)部分(fēn)更改。其他(tā)包括测量单位、网格、文(wén)本显示，甚至工具栏和命令的配置方式。

设计约束

您的 PCB CAD 工具应该有(yǒu)一个全面的设计规则和约束系统，允许您為(wèi)受控阻抗走線(xiàn)设置规则。例如，在 Cadence Allegro 的 PCB 编辑器中，您可(kě)以為(wèi) PCB设计中的各种信号要求设置网络类和规则。其中之一，如上图所示，是设计中的差分(fēn)对。Allegro 允许您设置所有(yǒu)相关的布線(xiàn)规则，包括走線(xiàn)宽度和间距，以满足他(tā)们的電(diàn)气要求。

路由命令

PCB布局系统中有(yǒu)许多(duō)可(kě)用(yòng)的走線(xiàn)布線(xiàn)功能(néng)。您可(kě)以将迹線(xiàn)布線(xiàn)到指定長(cháng)度、添加曲線(xiàn)、滑动它们或以特定模式或拓扑进行布線(xiàn)。对于受控阻抗布線(xiàn)，您需要能(néng)够以特定宽度、间距和指定层布線(xiàn)。布局工具中的布線(xiàn)功能(néng)可(kě)以与已经设置的设计规则和约束一起轻松适应这一点。您的布局工具还将具有(yǒu)布線(xiàn)功能(néng)，可(kě)以将差分(fēn)对自动布線(xiàn)成对，如下图所示。这些功能(néng)将节省您尝试手动将它们布線(xiàn)在一起的时间和难度，同时保持彼此所需的间距。

这仅涉及当今 PCB布局工具中众多(duō)设计功能(néng)中的一小(xiǎo)部分(fēn)。随着 CAD 系统的不断改进，我们将不断看到增强和升级，以简化设计人员处理(lǐ) PCB阻抗控制的工作流程。例如，这里有(yǒu)一些可(kě)以提供帮助的高级功能(néng)。 

通过自动跟踪路由功能(néng)实现的差分(fēn)对路由示例

PCB设计工具中有(yǒu)用(yòng)的高级功能(néng) 

為(wèi)了帮助设计人员在布局 PCB设计时解决信号完整性问题，Cadence 在他(tā)们的工程软件库中提供了另一个有(yǒu)用(yòng)的工具。本文(wén)顶部视频中显示的阻抗分(fēn)析工作流程允许设计人员分(fēn)析其关键网络以发现潜在的 SI 问题。一旦更正，第二轮分(fēn)析将显示这些变化如何改善了電(diàn)路板的信号完整性。

我们之前还提到了与您的 PCB 制造商(shāng)沟通以交换关键板层堆叠信息的重要性。Cadence 在这方面也提供了帮助，其功能(néng)是以 IPC-2581 格式导入和导出板层堆叠信息。这使您可(kě)以与配备类似设备的制造商(shāng)合作，并将他(tā)们的数据直接提取到您的设计中。无需依赖口头或书面交流，您可(kě)以為(wèi)電(diàn)路板层堆叠、导電(diàn)和介電(diàn)材料定义、涂层和其他(tā)重要的 PCB 物(wù)理(lǐ)特性提取设计就绪数据。