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PCB的3种特殊布线技巧

12 8月 2016

NEPCON 华南电子展    展品范围, 参观预登记,电子制造自动化展区,电子组装

随着电子产品不断向高密度、集成化、高可靠性的方向发展,PCB(印制电路板)作为电子产品最主要的部件之一,越来越多的活跃在电子产业的舞台。2016深圳国际电路板采购展览会(CS SHOW 2016),将于8月30日至9月1日在深圳会展中心正式拉开帷幕。作为业内唯一以PCB/FPC采购为主题的行业展会,届时会有数以千计的电路板采购商齐聚深圳,与两岸三地领先的电路板企业洽谈商机!在开展前,先让我们来关注一下PCB在设计布线中的3种特殊走线技巧。

PCB设计布线(Layout)的好坏将直接影响到整个系统的性能,大多数高速的设计理论也要最终经过 Layout 得以实现并验证,由此可见,布线在高速 PCB 设计中是至关重要的。下面将针对实际布线中可能遇到的一些情况,分析其合理性,并给出一些比较优化的走线策略。

主要从直角走线,差分走线,蛇形线等三个方面来阐述。

1. 直角走线

直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况,也几乎成为衡量布线好坏的标准之一,那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢?从原理上说,直角走线会使传输线的线宽发生变化,造成阻抗的不连续。其实不光是直角走线,顿角,锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况。

直角走线的对信号的影响就是主要体现在三个方面:

一是拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间;

二是阻抗不连续会造成信号的反射;

三是直角尖端产生的EMI。

很多人对直角走线都有这样的理解,认为尖端容易发射或接收电磁波,产生 EMI,这也成为许多人认为不能直角走线的理由之一。然而很多实际测试的结果显示,直角走线并不会比直线产生很明显的EMI。也许目前的仪器性能,测试水平制约了测试的精确性,但至少说明了一个问题,直角走线的辐射已经小于仪器本身的测量误差。

总的说来,直角走线并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的应用中,其产生的任何诸如电容,反射,EMI等效应在TDR测试中几乎体现不出来,高速PCB设计工程师的重点还是应该放在布局,电源/地设计,走线设计,过孔等其他方面。当然,尽管直角走线带来的影响不是很严重,但并不是说我们以后都可以走直角线,注意细节是每个优秀工程师必备的基本素质,而且,随着数字电路的飞速发展,PCB 工程师处理的信号频率也会不断提高,到 10GHz 以上的 RF 设计领域,这些小小的直角都可能成为高速问题的重点对象。

2. 差分走线

差分信号(Differential Signal)在高速电路设计中的应用越来越广泛,电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计,什么另它这么倍受青睐呢?在PCB设计中又如何能保证其良好的性能呢?带着这两个问题,我们进行下一部分的讨论。

何为差分信号?通俗地说,就是驱动端发送两个等值、反相的信号,接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。

差分信号和普通的单端信号走线相比,最明显的优势体现在以下三个方面:

a.抗干扰能力强,因为两根差分走线之间的耦合很好,当外界存在噪声干扰时,几乎是同时被耦合到两条线上,而接收端关心的只是两信号的差值,所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

b能有效抑制 EMI,同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能量越少。

c.时序定位精确,由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点,而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指这种小振幅差分信号技术。

对于PCB工程师来说,最关注的还是如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求,那就是“等长、等距”。等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性,减少共模分量;等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致,减少反射。“尽量靠近原则”有时候也是差分走线的要求之一。

在PCB电路设计中,一般差分走线之间的耦合较小,往往只占10~20%的耦合度,更多的还是对地的耦合,所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候,无参考平面的区域,差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路,见图 1-8-17所示。尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重,但还是会降低差分信号的质量,增加 EMI,要尽量避免。也有些设计人员认为,可以去掉差分走线下方的参考平面,以抑制差分传输中的部分共模信号,但从理论上看这种做法是不可取的,阻抗如何控制?不给共模信号提供地阻抗回路,势必会造成EMI辐射,这种做法弊大于利。

差分走线也可以走在不同的信号层中,但一般不建议这种走法,因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果,引入共模噪声。此外,如果相邻两层耦合不够紧密的话,会降低差分走线抵抗噪声的能力,但如果能保持和周围走线适当的间距,串扰就不是个问题。在一般频率(GHz 以下),EMI也不会是很严重的问题,实验表明,相距500Mils的差分走线,在3米之外的辐射能量衰减已经达到60dB,足以满足FCC的电磁辐射标准,所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。

3. 蛇形线

蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节延时,满足系统时序设计要求。设计者首先要有这样的认识:蛇形线会破坏信号质量,改变传输延时,布线时要尽量避免使用。但实际设计中,为了保证信号有足够的保持时间,或者减小同组信号之间的时间偏移,往往不得不故意进行绕线。

那么,蛇形线对信号传输有什么影响呢?走线时要注意些什么呢?其中最关键的两个参数就是平行耦合长度(Lp)和耦合距离(S),如图1-8-21所示。很明显,信号在蛇形走线上传输时,相互平行的线段之间会发生耦合,呈差模形式,S越小,Lp越大,则耦合程度也越大。可能会导致传输延时减小,以及由于串扰而大大降低信号的质量,其机理可以参考第三章对共模和差模串扰的分析。

当PCB产业进入到挑战和机遇并存的“新常态”时,本届深圳CS SHOW 2016将以最快速度展示PCB制程供应链整合实力,为参观者提供即时与多样化的观展选择。本届展会主办方将全面展示PCB、FPC、HDI、MPCB、IC载板等电路板,将再次填补国内没有专业电路板展会的空白。主办方预计,深圳CS SHOW 2016将有超过10000名覆盖八大行业的专业观众和知名买家到场,与两岸三地领先的电路板洽谈商机!

来源:NEPCON

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