高性能(néng)PCB電(diàn)路设计和分(fēn)析指南

2020-03-24

虽然原理(lǐ)图设计对于定义電(diàn)路板的功能(néng)很(hěn)重要，但是布局在電(diàn)源和信号完整性方面将决定電(diàn)路板性能(néng)的一些最重要方面。这需要适当的布線(xiàn)和叠层设计技术，以确保完成的布局与原理(lǐ)图中的功能(néng)匹配。本文(wén)主要介绍高性能(néng)PCB電(diàn)路设计和分(fēn)析实现方法。

高性能(néng)PCB電(diàn)路设计要求

高性能(néng)PCB電(diàn)路设计就是要确保你的PCB在六个关键领域达到或超过公差：

1、電(diàn)源完整性：你需要确保稳定的電(diàn)源并抑制整个PCB的噪声。当電(diàn)源到达VCC引脚时，電(diàn)源的+5 V输出应保持在+5 V，并且当组件汲取電(diàn)流浪涌时，其输出不应摇晃。

2、信号完整性：沿传输線(xiàn)发送的任何+5 V信号在接收器处应显示為(wèi)+5V。你还需要使用(yòng)正确的时钟恢复和通道补偿技术来恢复信号，尤其是在使用(yòng)多(duō)级信令方案时。

参考平面和返回路径管理(lǐ)：当板以更高的边沿速率和/或更高的频率运行时，需要仔细管理(lǐ)板中的返回路径以防止干扰。这在混合信号板中尤其重要，因為(wèi)需要防止模拟和数字部分(fēn)之间的干扰。

3、EMI控制：你应该采取许多(duō)步骤来减少板内和板外的辐射和传导EMI。同样，如果要通过EMC测试，则可(kě)能(néng)需要采取其他(tā)措施将EMI限制在产品包装内。

4、热管理(lǐ)：即使在低至约1 V的组件中运行，更快的数据速率和更高的频率也会在满量程运行期间散发大量热量。在这里，你需要考虑一种散热管理(lǐ)策略，以使電(diàn)路板温度保持在安全的工作范围内。这可(kě)能(néng)涉及主动和被动热管理(lǐ)技术的混合，具體(tǐ)取决于要部署電(diàn)路板的环境。

5、布線(xiàn)和堆栈设计：与上述五个领域有(yǒu)关。布線(xiàn)和堆叠在高的PCB系统中齐头并进，因為(wèi)它们对于整个板上的阻抗控制和串扰抑制至关重要。同样，在低水平运行的板上，堆栈是電(diàn)源完整性的主要决定因素。

高性能(néng)PCB系统通常被设计為(wèi)多(duō)板系统，以适合其外壳。这些系统可(kě)以以背板配置（在数据中心中），母板/子板（在高性能(néng)计算中）或多(duō)个柔性/刚性-柔性板的复杂布置来设计。在多(duō)面板环境中工作时，上述所有(yǒu)區(qū)域都会变得更加复杂。其中最主要的是信号完整性，返回路径管理(lǐ)和EMI控制，它们会在電(diàn)路板内部和外部产生复杂的辐射发射行為(wèi)。

高性能(néng)PCB電(diàn)路设计注意事项

高性能(néng)PCB系统中電(diàn)源完整性，信号完整性，EMI，叠层设计和布線(xiàn)之间的复杂关系需要特别注意你的布局。不良的布局可(kě)以让你诊断潜在的信号噪声源和電(diàn)源问题，这些问题可(kě)以通过正确的设计选择来解决。错误的布局选择会加剧EMI和噪声问题，这在较低速度/较低频率的系统中是不明显的。开始设计你的下一个高性能(néng)PCB的地方就是你的堆栈，因為(wèi)这将决定你随后的阻抗控制，噪声抑制和布線(xiàn)策略。

一旦收到第一批原型，就需要对其进行一系列测试，以确保它们符合你的高性能(néng)标准。如果要消除对高器件的一些原型设计和鉴定运行，那么在构建高性能(néng)PCB系统时请考虑以下几点。

高性能(néng)PCB的叠层

尽管在上面的列表中后面提到了层叠设计，但是它应该是你开始创建设计的第一位。然后，你的堆栈将确定你的布線(xiàn)和返回路径策略。对于以亚ns信号上升时间工作的Gbps板，你很(hěn)可(kě)能(néng)会在多(duō)个信号通道中使用(yòng)阻抗控制的差分(fēn)对布線(xiàn)。在这种环境下，電(diàn)流消耗可(kě)能(néng)非常大，但是正确的堆叠将有(yǒu)助于确保電(diàn)路板运行时的電(diàn)源稳定性。電(diàn)流消耗还会导致電(diàn)路板的PDN中产生瞬态响应，这会增加驱动器输出中的时序抖动/相位噪声以及时钟抖动。

為(wèi)了控制電(diàn)路板中的损耗，可(kě)能(néng)需要使用(yòng)高k或低k電(diàn)介质的替代基板材料。理(lǐ)想的叠层将使用(yòng)具有(yǒu)高介電(diàn)常数（实部）和非常低的损耗角正切的材料，因為(wèi)这将提供更高的平面间電(diàn)容以实现電(diàn)源完整性和更低的信号损耗。不幸的是，像大多(duō)数工程设计决策一样，你将无法在每个電(diàn)路板和每个带宽上同时满足这两个要求。在这里，布局后和寄生提取仿真对于确保信号不会由于介電(diàn)损耗和色散而变得过分(fēn)劣化至关重要。

阻抗控制的传输線(xiàn)布線(xiàn)

尽管以较低的速度和较低的频率运行的设备不会产生明显的影响，但所有(yǒu)迹線(xiàn)的行為(wèi)都将类似于传输線(xiàn)。当你使用(yòng)高性能(néng)PCB系统时，情况并非如此。要防止互连中的信号反射，需要对整个互连进行仔细的阻抗控制。由于高性能(néng)PCB使用(yòng)先进的多(duō)级信号和调制方案，因此在低信号電(diàn)平下的阻抗控制甚至具有(yǒu)更严格的容差。

具有(yǒu)高性能(néng)信令标准和调制功能(néng)的高性能(néng)PCB通常使用(yòng)差分(fēn)对来布線(xiàn)信号，这需要精确的耦合和長(cháng)度匹配以消除偏斜并抑制信号通道中的共模噪声。你的叠层将部分(fēn)确定需要使用(yòng)的走線(xiàn)尺寸，以确保整个互连的阻抗一致。这也将确定驱动程序在输出電(diàn)平之间切换时出现的振铃级别。迹線(xiàn)也应在尽可(kě)能(néng)短的路径上布線(xiàn)，以防止信号失真和传播过程中的累积损耗。

如果你想进一步了解传输線(xiàn)的受控阻抗布線(xiàn)，请阅读有(yǒu)关传输線(xiàn)阻抗设计和端接的信息。

刚性，刚性-柔性和柔性PCB中的HDI布線(xiàn)

更高的板卡，尤其是在数据中心和移动环境中的板卡，需要在占用(yòng)空间越来越小(xiǎo)的情况下容纳具有(yǒu)高数据速率的多(duō)个通道。在这里，你需要在HDI设计中使用(yòng)受控阻抗布線(xiàn)，以使系统适合所需的封装。在移动空间中，较新(xīn)的手机仅使用(yòng)刚挠性或挠性PCB，以便為(wèi)更大的電(diàn)池腾出更多(duō)空间。

在不增加移动设备占用(yòng)空间的情况下為(wèi)所有(yǒu)必需的组件腾出空间，迫使更多(duō)的设计师在HDI机制下工作。这涉及使用(yòng)盲孔和掩埋通孔在层之间和层数更薄的更高层数之间移动，所有(yǒu)这些都可(kě)能(néng)放置在多(duō)个全柔性PCB上。利用(yòng)HDI板上的差分(fēn)对，布局后仿真对于确保在整个互连長(cháng)度范围内进行精确耦合和阻抗控制变得更加重要。

这是有(yǒu)关高性能(néng)PCB的HDI设计的更多(duō)信息。

EMI抑制和屏蔽

小(xiǎo)尺寸的高性能(néng)PCB不仅需要法拉第笼屏蔽，还需要将其限制在器件内部。電(diàn)路板上的噪声可(kě)能(néng)在组件之间传导，并且可(kě)能(néng)源于多(duō)种来源，包括電(diàn)源噪声，由于强烈瞬变引起的辐射，不匹配的線(xiàn)路上的信号谐振以及开关IC。

屏蔽罐是EMI屏蔽的穷人方法，可(kě)能(néng)并不适合所有(yǒu)设备。更复杂的技术，例如通过围栏设计，利用(yòng)带状線(xiàn)布線(xiàn)和堆叠设计以及消除噪声源，对于降低EMI至关重要。当涉及到高速信令标准时，由于EMI的原因，差分(fēn)对也是首先选择的，因為(wèi)与单端传输線(xiàn)相比，它们可(kě)抵抗共模噪声并具有(yǒu)显着降低的辐射。

PCB中的热管理(lǐ)

具有(yǒu)高晶體(tǐ)管密度和大電(diàn)流消耗的组件将产生大量的热量，需要采用(yòng)主动和/或被动的热管理(lǐ)策略来将组件温度保持在安全范围内。这可(kě)能(néng)涉及使用(yòng)散热器，风扇或更极端的热量管理(lǐ)方法来散热。替代性的基材材料（例如陶瓷）在这里起着一定的作用(yòng)，因為(wèi)这些基材材料的导热系数比FR4或其他(tā)高性能(néng)层压板更高。将主动的热管理(lǐ)策略踢入水冷式超速行驶。

高性能(néng)PCB 電(diàn)路设计和分(fēn)析

创建高性能(néng)PCB就是要使用(yòng)正确的设计工具并在首次进行原型设计之前评估设计。仿真结果将提供基准性能(néng)指标，用(yòng)于比较新(xīn)板上的测试和测量结果。如果要使设计完美，则需要正确的选择PCB電(diàn)路设计公司，上海韬放電(diàn)子提供专业的PCB電(diàn)路设计服務(wù)，如果你有(yǒu)这方面的需求，请与我们联系。