隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對(duì)于信號(hào)完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開(kāi)關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動(dòng)往往會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡(jiǎn)稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問(wèn)題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問(wèn)題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。二、電源噪聲的起因及分析對(duì)于電源噪聲的起因我們通過(guò)一個(gè)與非門(mén)電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個(gè)三輸入與非門(mén)的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門(mén)屬于數(shù)字器件，它是通過(guò)“1”和“0”電平的切換來(lái)工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來(lái)越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時(shí)回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動(dòng)。如在圖1中，當(dāng)與非門(mén)輸入全為高電平時(shí)，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時(shí)流入地線。此時(shí)由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動(dòng)，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門(mén)輸入為低電平時(shí)，此時(shí)電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時(shí)只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對(duì)于上升沿來(lái)說(shuō)要小。從對(duì)與非門(mén)的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面：一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過(guò)大;

1.寄生電容過(guò)孔本身存在著對(duì)地或電源的寄生電容，如果已知過(guò)孔在內(nèi)層上的隔離孔直徑為D2;過(guò)孔焊盤(pán)的直徑為D1;PCB的厚度為T(mén);板基材的相對(duì)介電常數(shù)為ε;過(guò)孔的寄生電容延Κ了電路中信號(hào)的上升時(shí)問(wèn)，降低了電路的速度。如果一塊厚度為25mil的PCB，使用內(nèi)徑為10mil，焊盤(pán)直徑為20mil的過(guò)孔，內(nèi)層電氣間隙寬度為32mil時(shí)，可以通過(guò)上面的公式近似算出過(guò)孔的寄生電容大致為0.259 pF。如果走線的特性阻抗為30Ω,則該寄生電容引起的信號(hào)上升時(shí)間延長(zhǎng)量。系數(shù)1/2是因?yàn)檫^(guò)孔在走線的中途。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過(guò)孔的寄生電容引起的上升沿變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過(guò)孔進(jìn)行層間的切換，設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。2.寄生電感過(guò)孔還具有與其高度和直徑直接相關(guān)的串聯(lián)寄生電感。若九是過(guò)孔的高度;d是中心鉆孔的直徑;則過(guò)孔的寄生電感L近似為在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，寄生電感帶來(lái)的危害超過(guò)寄生電容的影響。過(guò)孔的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容在電源或地平面濾除噪聲的作用，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用c因此旁路和去耦電容的過(guò)孔應(yīng)該盡可能短，以使其電感值最小。通過(guò)上面對(duì)過(guò)孔寄生特性的分析，為了減小過(guò)孔的寄生效應(yīng)帶來(lái)的不利影響，在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到：· 盡量減少過(guò)孔，尤其是時(shí)鐘信號(hào)走線;· 使用較薄的PCB有利于減小過(guò)孔的兩種寄生參數(shù);· 過(guò)孔阻抗應(yīng)該盡可能與其連接的走線的阻抗相匹配，以便減小信號(hào)的反射;

pcn設(shè)計(jì)問(wèn)題集第Y部分從pcb如何選材到運(yùn)用等一系列問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。1、如何選擇PCB板材?選擇PCB板材必須在滿足設(shè)計(jì)需求和可量產(chǎn)性及成本中間取得平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)需求包含電氣和機(jī)構(gòu)這兩部分。通常在設(shè)計(jì)非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時(shí)這材質(zhì)問(wèn)題會(huì)比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4材質(zhì)，在幾個(gè)GHz的頻率時(shí)的介質(zhì)損耗(dielectric loss)會(huì)對(duì)信號(hào)衰減有很大的影響，可能就不合用。就電氣而言，要注意介電常數(shù)(dielectric constant)和介質(zhì)損在所設(shè)計(jì)的頻率是否合用。2、如何避免高頻干擾?避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號(hào)電磁場(chǎng)的干擾，也就是所謂的串?dāng)_(Crosstalk)?？捎美蟾咚傩盘?hào)和模擬信號(hào)之間的距離，或加ground guard/shunt traces在模擬信號(hào)旁邊。還要注意數(shù)字地對(duì)模擬地的噪聲干擾。3、在高速設(shè)計(jì)中，如何解決信號(hào)的完整性問(wèn)題?信號(hào)完整性基本上是阻抗匹配的問(wèn)題。而影響阻抗匹配的因素有信號(hào)源的架構(gòu)和輸出阻抗(output impedance)，走線的特性阻抗，負(fù)載端的特性，走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。

解決EMI問(wèn)題的辦法很多，現(xiàn)代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設(shè)計(jì)等。本文從最基本的PCB布板出發(fā)，討論P(yáng)CB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧。電源匯流排在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來(lái)得更快。然而，問(wèn)題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無(wú)法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎么解決這些問(wèn)題?就我們電路板上的IC而言，IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器，它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號(hào)也小，進(jìn)而降低共模EMI。當(dāng)然，電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號(hào)的上升沿越來(lái)越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤(pán)上，這要另外討論。為了控制共模EMI，電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。有人可能會(huì)問(wèn)，好到什么程度才算好?問(wèn)題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。

廠家PCB電路板1.布局首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過(guò)小，PCB電路板加工廠則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：(1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。(2)某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。(3)應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)電路的功能單元.對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：(1)按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上.盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。(3)在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀.而且裝焊容易.易于批量生產(chǎn)。(4)位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。

如果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號(hào)反射噪聲不超過(guò)電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求，阻抗變化必須小于10%。這有時(shí)很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計(jì)算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號(hào)的幅度必然超標(biāo)。至于對(duì)信號(hào)造成多大影響，還和信號(hào)上升時(shí)間和驅(qū)動(dòng)端到反射點(diǎn)處信號(hào)的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個(gè)潛在的問(wèn)題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)可以通過(guò)阻抗匹配端接解決問(wèn)題。如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長(zhǎng)6mil寬線條的兩個(gè)端點(diǎn)處都會(huì)發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時(shí)間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號(hào)為1V，第Y次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長(zhǎng)度極短，兩次反射幾乎同時(shí)發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否影響信號(hào)，有多大影響，和阻抗變化處的時(shí)延以及信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間的20%，反射信號(hào)就不會(huì)造成問(wèn)題。如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns，那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對(duì)應(yīng)1.2英寸，反射就不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。也就是說(shuō)，對(duì)于本例情況，6mil寬走線的長(zhǎng)度只要小于3cm就不會(huì)有問(wèn)題。