嵌入式系统中高频PCB的设计技巧

2021-04-20

嵌入式系统中高频PCB的设计技巧

当今的高速嵌入式系统结合了各种功能(néng)，组件，数字接口，当然还包括无線(xiàn)/ RF信令。如果您要设计具有(yǒu)任何计算能(néng)力的嵌入式系统，并且还包括模拟前端，那么您将面临多(duō)个混合信号设计难题。无论是简单的低于1 GHz的无線(xiàn)電(diàn)连接，Wifi / BLE还是数千兆以太网，嵌入式系统都需要某种方式来与外界交互，而这种方式不依赖于纯数字信令。这适用(yòng)于背板，单板计算机，IoT产品等系统。

利用(yòng)当今嵌入式系统中使用(yòng)的高频信号，電(diàn)路板设计人员有(yǒu)责任在设计过程的早期就解决这些问题。成功的高频PCB设计可(kě)归结為(wèi)三个方面的成功：

叠层设计和接地

元件放置

布線(xiàn)和阻抗控制

这听起来很(hěn)明显，这是我们在此博客的许多(duō)文(wén)章中介绍的基本设计技巧。但是，这里要强调这些要点，因為(wèi)具有(yǒu)某些数字功能(néng)的高频PCB，尤其是现代嵌入式系统，在这三个方面都必须依靠成功来确保系统按设计运行。為(wèi)了帮助您开始下一个PCB的布局和布局，让我们从嵌入式系统的高频设计方面来看每个领域。

高频PCB的设计挑战

正如我将简要讨论的那样，高频PCB和数字系统所涉及的设计挑战都集中在信号完整性上，并在某种程度上讲是電(diàn)源完整性。我们在这里考虑的PCB类型是用(yòng)于嵌入式系统的板，其中还将包括一些RF功能(néng)。射频部分(fēn)可(kě)以通过诸如WiFi或BLE的标准无線(xiàn)协议实现，而数字部分(fēn)几乎可(kě)以与MCU，MPU或FPGA接口。

隔离高频信号

这些系统中最重要的设计考虑因素可(kě)能(néng)是隔离数字和模拟信号。如果系统具有(yǒu)模拟部分(fēn)，天線(xiàn)馈線(xiàn)等，则需要将模拟部分(fēn)与数字部分(fēn)隔离开来，因為(wèi)串扰会干扰模拟信号。这是最好使用(yòng)波导路由的原因之一，因為(wèi)它可(kě)以提供自然隔离，正如我将在下面更详细地解释的那样。

如果您可(kě)以成功完成此部分(fēn)，那么您将更接近在模拟部分(fēn)生产具有(yǒu)更高EMI抗扰度的模拟部分(fēn)。正如我将在下面讨论的，最好在堆叠阶段（设计的开始）而不是在布線(xiàn)阶段（设计的末尾）开始考虑这一点。首先，嵌入式系统在布局设计时应考虑一些特性。

是什么使嵌入式技术与众不同？

嵌入式系统与许多(duō)其他(tā)带有(yǒu)高频PCB的数字系统之间的區(qū)别是使用(yòng)高速数字接口。尽管高速计算接口使用(yòng)差分(fēn)对进行数据传输，但仍有(yǒu)可(kě)能(néng)在数字部分(fēn)和模拟部分(fēn)之间引起共模噪声（串扰）。此外，上升时间较快的信号会将其信号功率集中到更高的频率，因此在单端RF互连上更有(yǒu)可(kě)能(néng)显示為(wèi)噪声。

由于您基本上是在处理(lǐ)高速运行的小(xiǎo)型计算机，因此您还需要考虑電(diàn)源完整性，尤其是地面弹跳/轨道弹跳。两种效果基本相同，只是以不同的方式表现出来。

下表简要总结了设计带有(yǒu)模拟部分(fēn)的嵌入式系统时所面临的挑战。通常，我们可(kě)以将每个领域中的设计挑战与堆叠设计，布線(xiàn)/阻抗控制和隔离的三个基本原理(lǐ)联系起来。

显然，在尝试设计具有(yǒu)模拟/ RF部分(fēn)的高速嵌入式系统时，有(yǒu)很(hěn)多(duō)地方需要检查。另一个有(yǒu)问题的领域是每个领域的解决方案都取决于频率。由于这是一篇高水平的文(wén)章，因此没有(yǒu)足够的时间来介绍各个领域的设计准则，但是我将在适当的地方链接到其他(tā)文(wén)章。

它始于地平面和叠层设计

正确的PCB叠层可(kě)以解决大多(duō)数電(diàn)源完整性和信号完整性问题。堆叠还会影响可(kě)溶解性，可(kě)布線(xiàn)性，阻抗控制，EMI / EMC，热控制和隔离。如果您要设计具有(yǒu)高速数字接口和模拟部分(fēn)的嵌入式系统，那么可(kě)以使用(yòng)堆栈来开始考虑您的设计。

我在下面显示了一个8层堆栈，它将在内部為(wèi)低速信号和所需的附加平面提供空间，但是我仅在板的顶部和底部标记了重要的信号和平面层。如果您不需要此额外空间，则可(kě)以使用(yòng)信号/平面/平面/信号布置在4层停下来。这里的重点是，我允许2个参考层彼此相邻，而与其他(tā)层无关。堆叠类型的目标是使参考平面彼此靠近，以防止可(kě)能(néng)导致信号完整性问题的電(diàn)源完整性问题类型 。 

如果需要，这种类型的叠层将為(wèi)您提供两个组件层，電(diàn)路板每侧之间的大量接地以及可(kě)用(yòng)于電(diàn)源/地平面对以提供足够的平面间電(diàn)容的相邻平面层。第2层和第（N-1）层上的参考平面是确保整个板上的阻抗控制，隔离和一致参考的关键层。这种类型的高层数堆栈（至少6个）对于占位面积较小(xiǎo)的更高级的系统很(hěn)常见。

如果您使用(yòng)的是纯模拟或混合信号设备，则在堆叠和接地平面图中要考虑许多(duō)重要事项。但是，您还必须将高速/高频组件放置在板上，因此在开始布線(xiàn)之前自然要先检查一下组件的放置。

元件放置在顶部参考平面上方

首先，您应该将接地层分(fēn)為(wèi)数字部分(fēn)和模拟部分(fēn)，但要使这两个部分(fēn)保持物(wù)理(lǐ)连接，以提供始终如一的低電(diàn)抗接地路径。如果您正在使用(yòng)多(duō)个频率的频率RF信号，请考虑将第三个模拟地切开以用(yòng)于这些信号和组件。如果您按照上面的说明堆叠地面和電(diàn)源，那么您已经对電(diàn)源部分(fēn)进行了相同的操作，并且理(lǐ)想情况下，可(kě)以防止PDN中高传输阻抗引起的多(duō)端口激励。

使您的数字部分(fēn)和RF部分(fēn)在接地层上方分(fēn)开，并遵循返回路径，以确保信号在PCB布局中被隔离。

隔离布線(xiàn)高频PCB

要考虑的下一点是如何在组件之间路由走線(xiàn)。但是，您可(kě)能(néng)还需要一些策略来隔离不同板部分(fēn)之间以及各个互连之间，以防止干扰。一些策略包括：

表面层上的共面波导布線(xiàn)，特别是组件之间的走線(xiàn)，到馈線(xiàn)的走線(xiàn)或到同轴连接器的走線(xiàn)。

如果您有(yǒu)足够高的层数，请考虑為(wèi)带状線(xiàn)布線(xiàn)留出一层。请注意这一点，因為(wèi)过孔会在超高频（mmWave）上产生问题。

由于会产生两个异相辐射源，因此将接地通孔栅栏放置在RF電(diàn)源平面周围可(kě)提供良好的抑制效果。

考虑使用(yòng)带隙结构来提供隔离，因為(wèi)它们可(kě)以直接印刷到高频PCB上。

与如何进行布線(xiàn)以防止干扰相比，如何设计互连以确保一致的阻抗匹配并不重要。这里最重要的一点可(kě)能(néng)是跟踪返回路径，并使RF互连遠(yuǎn)离数字部分(fēn)。只要您的RF互连附近没有(yǒu)大的返回電(diàn)流，就可(kě)以减少对串扰的担心。尽管如此，在进行原型设计之前，仍有(yǒu)很(hěn)多(duō)要评估的要点，现场求解器可(kě)以帮助发现这些问题。

在使用(yòng)现场求解器进行原型设计之前评估您的電(diàn)路板

只要您能(néng)消除原型运行并发现超高频率的信号/電(diàn)源完整性问题，就可(kě)以节省时间和金钱。正确的现场求解器可(kě)以帮助您完成PCB布局并计算确保RF产品将按设计工作所需的重要信号完整性指标。在高频PCB中，要检查的一些重要点是网络参数，辐射EMI以及不同板部分(fēn)之间的干扰。如果您将天線(xiàn)直接放在板上，则还需要检查辐射方向图和辐射功率。