高速PCB设计技术5(2).pdf
1Signal Integrity、EMC&High Speed PCB DesignPart5 高速PCB设计技术A-PDF PPT TO PDF DEMO:Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermark2课程内容?第五部分 高速PCB设计技术（2）互连和I/O分区隔离和分区（护沟）滤波和接地各种I/O设计安排背板、带状电缆和功能板连接器插针安排AC底板平面背板结构互连机械结构信号路由串音母板与子板连接实例高速PCB的电磁兼容设计原则高速PCB设计实践：数模电路的PCB设计高速PCB设计实践：高频小信号放电电路的PCB设计3互连和I/O?分区功能子系统静寂区内部辐射噪声耦合?隔离和分区（护沟）环绕桥接?滤波和接地?各种I/O设计安排4互连和I/O?产生I/O电路RF辐射的原因I/O互连耦合的共模RF能量电源平面的开关噪声耦合到I/O电路和线缆时钟信号以传导和辐射方式耦合到I/O线缆数据信号线未滤波（共模和差模）接地形式不正确（机架、信号、数字和模拟）使用性能不好的I/O连接器（塑料的而非金属的、外露的而非屏蔽的）两电路间存在地电位差5互连和I/O?正确的I/O设计将连接器的金属壳通过低阻抗路径连接到机架地上此路径必须是360度全方位的到机架地的完整实心金属搭接工作频率高于1MHz的电路在连接器入口处提供信号地或机架地，并且不能采用尾线形式连接I/O逻辑电路应尽量靠近连接器，以减少布线长度I/O电路通常要滤波，一般设在驱动器和连接器之间正确选择元件以减小RF耦合，避免共模和差模发射I/O在PCB上必须和RF高频，甚至中频电路分隔开6互连和I/O?分区功能子系统功能子系统是指支持某种特定逻辑功能的一组元件，将这些元件靠近放置可以减少布线长度，提高性能分区布局有助于改善信号完整性，防止高频干扰源产生破坏性的干扰，影响串口、并口等。所有的I/O系统都应该按照单独的PCB来进行构想、设计和实现寂静区是指与数字、模拟以及其它功能区进行物理隔离的区域，防止PCB外的噪声源影响破坏本地的敏感电路所有I/O端口都必须单独分区，或者与数字电源/地平面进行隔离低频I/O端口可以放置旁路电容（470-1000pF）在靠近连接器的位置，将RF能量导引到零伏参考或机架地上控制PCB布线，防止滤波后的内部RF电流耦合到电缆屏蔽层上系统互连出口处必须设有干净或寂静的地，电源平面和地平面要同样对待7互连和I/O?分区分区的主要目的是把恶劣的电源和地平面及其他功能区与干净或寂静的区域和部分分隔开来。或在恶劣的电源/地平面和干净或寂静的区域之间只设单一的连接，称之为桥要实现寂静区，必须进行分区，可通过如下方法I/O信号通过隔离变压器进入和离开系统（以太网、电信或光纤）数据线滤波通过高阻抗共模电感滤波使用铁氧体元件内部辐射噪声耦合在零参考平面上设置一个屏障（金属栅栏，间隔为所关心的最高频率的/20），以防止内部RF耦合在电源和地平面间使用旁路电容8互连和I/O?隔离和分区（护沟）是指在物理上将元件、电路和平面与其他功能设备、区域和子系统分隔开。防止数字电流进入模拟地平面的方法在PCB上分区，分为模拟、数字和I/O区域。在所有平面上，沿分区边线除去区域之间的铜皮，以实现隔离。无铜区域就定义为护沟对于电源/地平面，护沟最小宽度为0.01in（0.25mm）将模拟地和数字地在一处并且仅在一处连接起来。该连接处是跨越护沟的桥将模拟器件的模拟部分置于桥的中间。任何情况下不允许信号线跨越护沟确保任何跨越模拟区与数字区的信号通过桥所在的位置，并且是位于紧邻桥的信号层对模拟电源和锁相环电路进行滤波，以去除数字噪声9互连和I/O?隔离和分区（护沟）实现外部与岛屿间的布线、供电和接地环绕护沟：使用隔离变压器、光隔离器或数据线滤波器，将I/O区与PCB其他区域100%隔离开，隔离元件应具有适宜的滤波带宽以及具有足够的抗峰值电压冲击和静电放电防护的承受能力?如果I/O连接器有金属壳，就必须通过低阻抗路径RF搭接到机架上，而不是数字地或隔离地上。如果接口规范禁止直接连接，可以在I/O电缆的屏蔽地与机架地之间使用旁路电容。?共模数据线滤波器或扼流圈可与隔离变压器一起使用?如果隔离区域需要供电和接地，则需要将跨越护沟的电源线用磁珠来实现连接，同时，地连接要使用单根印制线条，其宽度是电源线条宽度的3倍。两者应紧邻设置，有时还需退耦，可以接地，但不能跨越护沟。10互连和I/O?隔离和分区（护沟）实现外部与岛屿间的布线、供电和接地护沟上的桥接：此桥是经护沟实现连接的唯一的地方，信号、地和电源线都从这里穿过。?任何与隔离区无关的布线越过护沟时，都会导致严重后果，会产生RF环路电流?有时只有电源平面需要隔离，地平面要通过桥连接起来。当电路需要公共地平面时，常采用这种技术，而电源则需要分别进行滤波和稳压?滤波后的电源需经过磁珠跨过护沟连通。?如果隔离区不需要模拟或数字电源，空闲的电源平面可以重新定义成地平面，在隔离区内通过过孔连接到主地平面上。?桥的两端都应搭接到机架地上11互连和I/O?滤波和接地滤波除光纤和特定类型的局域网和电信接口外，所有的I/O线都要进行滤波滤波的配置方式：容性和感性（或它们的组合）?容性旁路滤波可滤除外部I/O电缆屏蔽层上的高频RF电流?感性滤波可滤除数字元件和I/O互连线的差模RF电流滤波元件的性能差异：电容器、电感器和铁氧体?电容器用来旁路RF能量，使之从电缆屏蔽层导入机架地，它工作在特定频点，对高压敏感。?电感器不能用于滤波，电感会降低瞬态电流的流动速率，并因此加大干扰感应的机会，电感还会在器件之间造成电势差，可能会产生共模电流?铁氧体是最佳滤波器件。如磁珠可以吸收RF能量，允许DC通过而不失真12互连和I/O?寂静区划分每个区域与相邻区域之间完全隔离每个区域都可以认为是一个独立的PCB布置区域间的互连线未画出音频区视频区模拟区I/O区13护沟方式实现隔离-方法1DLF护沟最佳接地位置隔离变压器I/O连接器数据线滤波器(DLF)无电压和接地平面磁珠桥接电源（仅限于）进入护沟隔离区，不得使用电感如果需要地线，应是电源线宽度的3倍可选退耦电容，通常接到地，不能跨过护沟14护沟方式实现隔离-方法2I/O连接器护沟可选电源需要时由磁珠跨过护沟连接到电源平面上旁路电容护沟上的桥15互连和I/O?正确使用护沟16互连和I/O?适用于防止RF发射护沟位于数据线滤波器和电容器的中心位置，对于不同的I/O连接器，所有或部分连接器可能需要设在护沟环绕区内护沟I/O连接器100PF数据线滤波器I/O连接器17互连和I/O护沟I/O连接器100PF数据线滤波器I/O控制器电源和地平面上都不铺设铜?适用于防止RF发射和ESD保护对于不同的I/O连接器，所有或部分连接器可能需要设在护沟环绕区内18背板、带状电缆和功能板连接器插针安排AC底板平面背板结构互连机械结构信号路由线条长度/信号终端串音接地环路控制背板接地层的切缝19背板、带状电缆和功能板?连接器插针安排20背板、带状电缆和功能板?AC底板平面有些应用中，除零电位参考平面，还需要AC底板平面除了旁路电容（0.1uF），AC底板平面不与其它平面直接相连接AC底板平面必须靠近一个电位参考平面，这可以有效减少分立电容的使用。?高频时，AC底板平面与其他参考平面的紧耦合，使数字零电位参考平面短接到底板?低频时，数字逻辑回流平面与底板必须是电气隔离的?背板结构布线层数：背板起码用4层板，根据具体要求决定是采用外层用作信号布线层，还是外层用作接地层。接线插槽数：插槽数越多，集总分布电容越大，会降低信号质量。电气长的线条要端接21背板、带状电缆和功能板?互连选择I/O连接器应该能使边沿速率的改变不降档连接器的阻抗失配要最小连接器必须提供足够的接地和电源插针，以保证整个装配结构保持恒定的阻抗连接器用于高速工作时，也必须考虑反弹对信号传输质量的影响互连线的平行布线技术使所有线条布线的不连续段尽可能短在连接器的安装空间中或输出的引出端里尽可能多设置接地点在连接器内设置一个共模参考地使用低介电常数材料使RF回流路径尽量靠近信号路径22背板、带状电缆和功能板?信号路由应该避免使用跳线在层间布置高危信号线（复位、时钟、音频、视频、模拟、高速传输），如果可能，所有的从源端到负载的线条都要布放在同一信号层。只有在负载元件处于长线条的末端且相互靠近时，才允许使用菊花链式的连接。其他情况都应采用终端匹配的辐射状布线。使用I/O连接器和互连线时，减小接头残端很重要（T形或分叉）。非时钟或非周期信号线上，T形接头的最大布线长度要限制在1in之内，在高危信号线上绝不允许有T形残端。设计或路由问题必须使用T形残端，应使其尽量短，不要超过器件的物理尺寸。背板上的印制线条长度一定不要超过RF电气长度。为了防止平行印制线条间的串音干扰，两条线间距要满足3W原则。敏感线条两侧所附加的接地保护线也要遵循3W原则。23背板、带状电缆和功能板?串音与平行线条的串音相关的主要考虑是防止一个线条上（信号源线）的电噪声对受扰线条产生有害干扰。大的总线结构考虑三种传播模式：线条到线条的耦合线条到结构的耦合结构到结构的耦合两种布线技术提供RF回路3W原则最佳安排是改变信号的传输的路径，使之在信号线条和零电位参考面或地之间实现。零电位参考线靠近每一个信号线在装配结构中，一个地平面或RF回流路径靠近所有的信号线。用双绞线带状电缆。24多层印制板母板和子板的连接回路1回路25多层印制板母板和子板的连接回路1回路改进26多层印制板母板和子板的连接回路1回路27多层印制板母板和子板的连接回路2回路改进28PCB的电磁兼容设计原则OtherTraceClockTraceOtherTrace3W3W2W2WWGround PlaneWWW2W2WWWDifferential Pair Trace?PCB走线3W规则：针对pcb上走线串扰而提出的一种布线规则即走线间的距离间隔（中心对中心）应该至少是走线宽度的 3倍(可以减少70%的辐射能量)?For 98%Flux Boundary,use 10-W Rule差分线对走线的间隔应该为1W，与其它走线的距离依然遵循3W原则走线到板边缘的距离至少保留1W29PCB的电磁兼容设计原则?多层PCB的电磁兼容设计设计规则5/5规则：?当时钟频率超过5MHz或者上升时间小于5ns时，pcb的设计就需要使用多层pcb?该规则不是绝对的，只要合理设计和布局，满足5/5规则的电路也可用双层板完成设计20H规则：?变化的电流就会产生电磁场向外辐射的现象，而在电源层的边缘由于存在磁通泄露将会产生边缘现象，即从电源层与地层边缘发生RF辐射现象。?为减少这一现象的影响，所有电源层的物理尺寸都要比与它最近的地层的物理尺寸小3020-H RuleHHH20H20HRF20H?当pcb电源层的物理尺寸比相邻的地层尺寸小10H时，辐射强度开始下降?尺寸差距达到20H时，辐射强度下降70%，尺寸差达到100H时，辐射强度下降98%H是电源层与最近地层之间的间距?采用20H规则时，在邻近信号层上处于上述无覆铜区的任何走线必须重新布线，如果pcb上有多个功能子系统，则也需要在高频区域内采用20H规则3120-H规则?如果电路板工作在自谐振频率的任意谐波频率时，20-H规则不再起作用，扩展的地平面不再吸收辐射能量，更糟的是还会产生大量的辐射能量。所以在实际的高速电路中，需要根据不同的情况决定是否应陔使用20-H规则。32PCB的电磁兼容设计原则?多层PCB的电磁兼容设计设计规则Rent准则?Rent：IBM工程师?大多数正方形电路板分为4个象限时，半数走线将在各个象限之间连接，而剩下的走线能够在各个象限内部连接。进一步细分象限，可以得到同样的结果?假设在两个象限之间的走线的平均长度等于象限之间的距离，则走线的总的平均长度等于板子边缘长度的3/8?如果走线的平均长度和走线的总数已知，则可以计算出走线在任意走线间距时所占有的总面积?如果采用M层的固定面积的pcb上，走线数为N，那么平均走线间距为：P=（XY）1/2/N*2.7*M33电源分配中布局规则?数模电源设计数模电源设计的主要目的就是减小数字信号(数字电源)对模拟信号(模拟电源)的干扰。因为数字器件有噪声容限,而模拟器件则对噪声非常敏感。设计时注意：尽可能减小电流环路的面积;系统只采用一个参考面。所以对于数模电源和地敷铜的连接采用单点连接。这样既可以构成一个参考地敷铜,还可以防止在数字模拟地之间形成小的回流环路(地环路)。单点的连接点应该在数模混合器件的下方。同时需要注意数模的连接方式,考虑到噪声的隔离,数模混合连接处使用磁珠连接,磁珠可以通直流隔交流。模数电源层不能重叠，否则会产生容性耦合，破坏两者隔离效果。34数字地和模拟地的划分35电源分配中布局规则?数模电源设计一点连接采用磁珠的阻抗特性磁珠磁珠磁珠磁珠36PCB地层的分割37数模混合电路数字地和模拟地?不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。?在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。38PCB的抗电磁干扰设计原则?模拟/数字混合PCB的设计原则如果信号不能通过尽可能小的环路进行返回，那么可能形成一个小的环状天线，这个环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比。因此，降低数字信号和模拟信号间的相互干扰的第一个基本原则是尽可能减小电流环路的面积。如果系统存在两个参考面，那么就可能形成一个偶极天线，这个偶极天线辐射的大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比。因此，降低数字信号和模拟信号间相互干扰第二个基本原则就是系统能够只采用一个参考面。对于模拟/数字混合pcb的设计来说，通常的做法是将pcb上的数字地和模拟地分割开，可实现数字地和模拟地之间的隔离。39PCB的抗电磁干扰设计原则?模拟/数字混合PCB的设计原则分割地平面带来的问题：跨越两个地之间间隙的信号线会形成一个大的地回路，从而电磁辐射和信号串扰会急剧增加。解决的办法?地连接桥方法?光隔离器件或变压器?差分信号倾向于统一地，而将pcb分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板的所有层的模拟区布线，而数字电路在电路板的所有层的数字区布线。这样，避免了两种电路产生干扰。数字信号的返回电流不会流入到模拟信号的地。只有将数字信号布线到电路板的模拟部分上，或模拟信号布线到数字部分上才会出现数字对模拟的干扰。但这并不是由于没有分割地，而是数字信号布线不当。40PCB的抗电磁干扰设计原则?模拟/数字混合PCB的设计原则A/D转换器的模拟地和数字地引脚的连接将AGND和DGND引脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗地上。?如果只有一个A/D转换器，则分割地，然后在A/D转换器下面将模拟地和数字地连接在一起（地连接桥），必须保证两个地之间的连接桥与IC等宽，并且没有任何信号线跨越分割间隙。?如果有多个A/D转换器，不能如上分割，否则会出现多点相连的情况，此时模拟地和数字地的分割将没有意义。解决的办法是开始时就采用统一地，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线不但可以满足模拟地和数字地引脚低阻抗相连的要求，同时也不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。41PCB的抗电磁干扰设计原则?模拟/数字混合pcb设计原则Pcb分区为独立的模拟部分和数字部分合理的元器件布局在电路板的所有层中，数字信号只能在数字部分布线，模拟信号只能在模拟部分布线实现模拟和数字的电源分割不要对地进行分割，在电路板的模拟部分和数字部分下面铺设统一地布线不能跨越分割电源面之间的间隙，必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于近邻大面积地的布线层上A/D转换器跨分区放置分析返回地电流实际流过的路径和方式采用正确的布线规则42高频小信号放大电路原理图43单层板44双面板45四层板电路图?地层作为信号的返回路径，回路电流将沿着信号线在地层的镜像回路返回，这样就实现了减少辐射的小回路。?旁路与去耦
