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高性能PCB電路設(shè)計(jì)和分析指南
雖然原理圖設(shè)計(jì)對(duì)于定義電路板的功能很重要，但是布局在電源和信號(hào)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(jì)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(jì)和分析實(shí)現(xiàn)方法。
高性能PCB電路設(shè)計(jì)要求
高性能PCB電路設(shè)計(jì)就是要確保你的PCB在六個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域達(dá)到或超過(guò)公差：
1、電源完整性：你需要確保穩(wěn)定的電源并抑制整個(gè)PCB的噪聲。當(dāng)電源到達(dá)VCC引腳時(shí)，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(shí)，其輸出不應(yīng)搖晃。
2、信號(hào)完整性：沿傳輸線發(fā)送的任何+5
V信號(hào)在接收器處應(yīng)顯示為+5V。你還需要使用正確的時(shí)鐘恢復(fù)和通道補(bǔ)償技術(shù)來(lái)恢復(fù)信號(hào)，尤其是在使用多級(jí)信令方案時(shí)。
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(yùn)行時(shí)，需要仔細(xì)管理板中的返回路徑以防止干擾。這在混合信號(hào)板中尤其重要，因?yàn)樾枰乐鼓M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(lái)減少板內(nèi)和板外的輻射和傳導(dǎo)EMI。同樣，如果要通過(guò)EMC測(cè)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(yùn)行，更快的數(shù)據(jù)速率和更高的頻率也會(huì)在滿量程運(yùn)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(dòng)和被動(dòng)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(jì)：與上述五個(gè)領(lǐng)域有關(guān)。布線和堆疊在高的PCB系統(tǒng)中齊頭并進(jìn)，因?yàn)樗鼈儗?duì)于整個(gè)板上的阻抗控制和串?dāng)_抑制至關(guān)重要。同樣，在低水平運(yùn)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(jì)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(jì)算中）或多個(gè)柔性/剛性-柔性板的復(fù)雜布置來(lái)設(shè)計(jì)。在多面板環(huán)境中工作時(shí)，上述所有區(qū)域都會(huì)變得更加復(fù)雜。其中最主要的是信號(hào)完整性，返回路徑管理和EMI控制，它們會(huì)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(jì)注意事項(xiàng)
高性能PCB系統(tǒng)中電源完整性，信號(hào)完整性，EMI，疊層設(shè)計(jì)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(hào)噪聲源和電源問(wèn)題，這些問(wèn)題可以通過(guò)正確的設(shè)計(jì)選擇來(lái)解決。錯(cuò)誤的布局選擇會(huì)加劇EMI和噪聲問(wèn)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(jì)你的下一個(gè)高性能PCB的地方就是你的堆棧，因?yàn)檫@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(duì)其進(jìn)行一系列測(cè)試，以確保它們符合你的高性能標(biāo)準(zhǔn)。如果要消除對(duì)高器件的一些原型設(shè)計(jì)和鑒定運(yùn)行，那么在構(gòu)建高性能PCB系統(tǒng)時(shí)請(qǐng)考慮以下幾點(diǎn)。
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(jì)，但是它應(yīng)該是你開始創(chuàng)建設(shè)計(jì)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(duì)于以亞ns信號(hào)上升時(shí)間工作的Gbps板，你很可能會(huì)在多個(gè)信號(hào)通道中使用阻抗控制的差分對(duì)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(yùn)行時(shí)的電源穩(wěn)定性。電流消耗還會(huì)導(dǎo)致電路板的PDN中產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)，這會(huì)增加驅(qū)動(dòng)器輸出中的時(shí)序抖動(dòng)/相位噪聲以及時(shí)鐘抖動(dòng)。
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(shí)部）和非常低的損耗角正切的材料，因?yàn)檫@將提供更高的平面間電容以實(shí)現(xiàn)電源完整性和更低的信號(hào)損耗。不幸的是，像大多數(shù)工程設(shè)計(jì)決策一樣，你將無(wú)法在每個(gè)電路板和每個(gè)帶寬上同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。在這里，布局后和寄生提取仿真對(duì)于確保信號(hào)不會(huì)由于介電損耗和色散而變得過(guò)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(yùn)行的設(shè)備不會(huì)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(shí)，情況并非如此。要防止互連中的信號(hào)反射，需要對(duì)整個(gè)互連進(jìn)行仔細(xì)的阻抗控制。由于高性能PCB使用先進(jìn)的多級(jí)信號(hào)和調(diào)制方案，因此在低信號(hào)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(duì)來(lái)布線信號(hào)，這需要精確的耦合和長(zhǎng)度匹配以消除偏斜并抑制信號(hào)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(gè)互連的阻抗一致。這也將確定驅(qū)動(dòng)程序在輸出電平之間切換時(shí)出現(xiàn)的振鈴級(jí)別。跡線也應(yīng)在盡可能短的路徑上布線，以防止信號(hào)失真和傳播過(guò)程中的累積損耗。
如果你想進(jìn)一步了解傳輸線的受控阻抗布線，請(qǐng)閱讀有關(guān)傳輸線阻抗設(shè)計(jì)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(dòng)環(huán)境中的板卡，需要在占用空間越來(lái)越小的情況下容納具有高數(shù)據(jù)速率的多個(gè)通道。在這里，你需要在HDI設(shè)計(jì)中使用受控阻抗布線，以使系統(tǒng)適合所需的封裝。在移動(dòng)空間中，較新的手機(jī)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(dòng)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(jì)師在HDI機(jī)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(dòng)，所有這些都可能放置在多個(gè)全柔性PCB上。利用HDI板上的差分對(duì)，布局后仿真對(duì)于確保在整個(gè)互連長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)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(jì)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(lái)源，包括電源噪聲，由于強(qiáng)烈瞬變引起的輻射，不匹配的線路上的信號(hào)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(guò)圍欄設(shè)計(jì)，利用帶狀線布線和堆疊設(shè)計(jì)以及消除噪聲源，對(duì)于降低EMI至關(guān)重要。當(dāng)涉及到高速信令標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由于EMI的原因，差分對(duì)也是首先選擇的，因?yàn)榕c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(dòng)和/或被動(dòng)的熱管理策略來(lái)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(lái)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?yàn)檫@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(dòng)的熱管理策略踢入水冷式超速行駛。
高性能PCB 電路設(shè)計(jì)和分析
創(chuàng)建高性能PCB就是要使用正確的設(shè)計(jì)工具并在首次進(jìn)行原型設(shè)計(jì)之前評(píng)估設(shè)計(jì)。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(cè)試和測(cè)量結(jié)果。如果要使設(shè)計(jì)完美，則需要正確的選擇PCB電路設(shè)計(jì)公司，上海韜放電子提供專業(yè)的PCB電路設(shè)計(jì)服務(wù)，如果你有這方面的需求，請(qǐng)與我們聯(lián)系。