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技術(shù)專題
高性能PCB電路設(shè)計和分析指南
雖然原理圖設(shè)計對于定義電路板的功能很重要，但是布局在電源和信號完整性方面將決定電路板性能的一些最重要方面。這需要適當(dāng)?shù)牟季€和疊層設(shè)計技術(shù)，以確保完成的布局與原理圖中的功能匹配。本文主要介紹高性能PCB電路設(shè)計和分析實現(xiàn)方法。
高性能PCB電路設(shè)計要求
高性能PCB電路設(shè)計就是要確保你的PCB在六個關(guān)鍵領(lǐng)域達到或超過公差：
1、電源完整性：你需要確保穩(wěn)定的電源并抑制整個PCB的噪聲。當(dāng)電源到達VCC引腳時，電源的+5 V輸出應(yīng)保持在+5 V，并且當(dāng)組件汲取電流浪涌時，其輸出不應(yīng)搖晃。
2、信號完整性：沿傳輸線發(fā)送的任何+5
V信號在接收器處應(yīng)顯示為+5V。你還需要使用正確的時鐘恢復(fù)和通道補償技術(shù)來恢復(fù)信號，尤其是在使用多級信令方案時。
參考平面和返回路徑管理：當(dāng)板以更高的邊沿速率和/或更高的頻率運行時，需要仔細管理板中的返回路徑以防止干擾。這在混合信號板中尤其重要，因為需要防止模擬和數(shù)字部分之間的干擾。
3、EMI控制：你應(yīng)該采取許多步驟來減少板內(nèi)和板外的輻射和傳導(dǎo)EMI。同樣，如果要通過EMC測試，則可能需要采取其他措施將EMI限制在產(chǎn)品包裝內(nèi)。
4、熱管理：即使在低至約1 V的組件中運行，更快的數(shù)據(jù)速率和更高的頻率也會在滿量程運行期間散發(fā)大量熱量。在這里，你需要考慮一種散熱管理策略，以使電路板溫度保持在安全的工作范圍內(nèi)。這可能涉及主動和被動熱管理技術(shù)的混合，具體取決于要部署電路板的環(huán)境。
5、布線和堆棧設(shè)計：與上述五個領(lǐng)域有關(guān)。布線和堆疊在高的PCB系統(tǒng)中齊頭并進，因為它們對于整個板上的阻抗控制和串?dāng)_抑制至關(guān)重要。同樣，在低水平運行的板上，堆棧是電源完整性的主要決定因素。
高性能PCB系統(tǒng)通常被設(shè)計為多板系統(tǒng)，以適合其外殼。這些系統(tǒng)可以以背板配置（在數(shù)據(jù)中心中），母板/子板（在高性能計算中）或多個柔性/剛性-柔性板的復(fù)雜布置來設(shè)計。在多面板環(huán)境中工作時，上述所有區(qū)域都會變得更加復(fù)雜。其中最主要的是信號完整性，返回路徑管理和EMI控制，它們會在電路板內(nèi)部和外部產(chǎn)生復(fù)雜的輻射發(fā)射行為。
高性能PCB電路設(shè)計注意事項
高性能PCB系統(tǒng)中電源完整性，信號完整性，EMI，疊層設(shè)計和布線之間的復(fù)雜關(guān)系需要特別注意你的布局。不良的布局可以讓你診斷潛在的信號噪聲源和電源問題，這些問題可以通過正確的設(shè)計選擇來解決。錯誤的布局選擇會加劇EMI和噪聲問題，這在較低速度/較低頻率的系統(tǒng)中是不明顯的。開始設(shè)計你的下一個高性能PCB的地方就是你的堆棧，因為這將決定你隨后的阻抗控制，噪聲抑制和布線策略。
一旦收到第一批原型，就需要對其進行一系列測試，以確保它們符合你的高性能標(biāo)準(zhǔn)。如果要消除對高器件的一些原型設(shè)計和鑒定運行，那么在構(gòu)建高性能PCB系統(tǒng)時請考慮以下幾點。
高性能PCB的疊層
盡管在上面的列表中后面提到了層疊設(shè)計，但是它應(yīng)該是你開始創(chuàng)建設(shè)計的第一位。然后，你的堆棧將確定你的布線和返回路徑策略。對于以亞ns信號上升時間工作的Gbps板，你很可能會在多個信號通道中使用阻抗控制的差分對布線。在這種環(huán)境下，電流消耗可能非常大，但是正確的堆疊將有助于確保電路板運行時的電源穩(wěn)定性。電流消耗還會導(dǎo)致電路板的PDN中產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)，這會增加驅(qū)動器輸出中的時序抖動/相位噪聲以及時鐘抖動。
為了控制電路板中的損耗，可能需要使用高k或低k電介質(zhì)的替代基板材料。理想的疊層將使用具有高介電常數(shù)（實部）和非常低的損耗角正切的材料，因為這將提供更高的平面間電容以實現(xiàn)電源完整性和更低的信號損耗。不幸的是，像大多數(shù)工程設(shè)計決策一樣，你將無法在每個電路板和每個帶寬上同時滿足這兩個要求。在這里，布局后和寄生提取仿真對于確保信號不會由于介電損耗和色散而變得過分劣化至關(guān)重要。
阻抗控制的傳輸線布線
盡管以較低的速度和較低的頻率運行的設(shè)備不會產(chǎn)生明顯的影響，但所有跡線的行為都將類似于傳輸線。當(dāng)你使用高性能PCB系統(tǒng)時，情況并非如此。要防止互連中的信號反射，需要對整個互連進行仔細的阻抗控制。由于高性能PCB使用先進的多級信號和調(diào)制方案，因此在低信號電平下的阻抗控制甚至具有更嚴(yán)格的容差。
具有高性能信令標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制功能的高性能PCB通常使用差分對來布線信號，這需要精確的耦合和長度匹配以消除偏斜并抑制信號通道中的共模噪聲。你的疊層將部分確定需要使用的走線尺寸，以確保整個互連的阻抗一致。這也將確定驅(qū)動程序在輸出電平之間切換時出現(xiàn)的振鈴級別。跡線也應(yīng)在盡可能短的路徑上布線，以防止信號失真和傳播過程中的累積損耗。
如果你想進一步了解傳輸線的受控阻抗布線，請閱讀有關(guān)傳輸線阻抗設(shè)計和端接的信息。
剛性，剛性-柔性和柔性PCB中的HDI布線
更高的板卡，尤其是在數(shù)據(jù)中心和移動環(huán)境中的板卡，需要在占用空間越來越小的情況下容納具有高數(shù)據(jù)速率的多個通道。在這里，你需要在HDI設(shè)計中使用受控阻抗布線，以使系統(tǒng)適合所需的封裝。在移動空間中，較新的手機僅使用剛撓性或撓性PCB，以便為更大的電池騰出更多空間。
在不增加移動設(shè)備占用空間的情況下為所有必需的組件騰出空間，迫使更多的設(shè)計師在HDI機制下工作。這涉及使用盲孔和掩埋通孔在層之間和層數(shù)更薄的更高層數(shù)之間移動，所有這些都可能放置在多個全柔性PCB上。利用HDI板上的差分對，布局后仿真對于確保在整個互連長度范圍內(nèi)進行精確耦合和阻抗控制變得更加重要。
這是有關(guān)高性能PCB的HDI設(shè)計的更多信息。
EMI抑制和屏蔽
小尺寸的高性能PCB不僅需要法拉第籠屏蔽，還需要將其限制在器件內(nèi)部。電路板上的噪聲可能在組件之間傳導(dǎo)，并且可能源于多種來源，包括電源噪聲，由于強烈瞬變引起的輻射，不匹配的線路上的信號諧振以及開關(guān)IC。
屏蔽罐是EMI屏蔽的窮人方法，可能并不適合所有設(shè)備。更復(fù)雜的技術(shù)，例如通過圍欄設(shè)計，利用帶狀線布線和堆疊設(shè)計以及消除噪聲源，對于降低EMI至關(guān)重要。當(dāng)涉及到高速信令標(biāo)準(zhǔn)時，由于EMI的原因，差分對也是首先選擇的，因為與單端傳輸線相比，它們可抵抗共模噪聲并具有顯著降低的輻射。
PCB中的熱管理
具有高晶體管密度和大電流消耗的組件將產(chǎn)生大量的熱量，需要采用主動和/或被動的熱管理策略來將組件溫度保持在安全范圍內(nèi)。這可能涉及使用散熱器，風(fēng)扇或更極端的熱量管理方法來散熱。替代性的基材材料（例如陶瓷）在這里起著一定的作用，因為這些基材材料的導(dǎo)熱系數(shù)比FR4或其他高性能層壓板更高。將主動的熱管理策略踢入水冷式超速行駛。
高性能PCB 電路設(shè)計和分析
創(chuàng)建高性能PCB就是要使用正確的設(shè)計工具并在首次進行原型設(shè)計之前評估設(shè)計。仿真結(jié)果將提供基準(zhǔn)性能指標(biāo)，用于比較新板上的測試和測量結(jié)果。如果要使設(shè)計完美，則需要正確的選擇PCB電路設(shè)計公司，上海韜放電子提供專業(yè)的PCB電路設(shè)計服務(wù)，如果你有這方面的需求，請與我們聯(lián)系。