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1、信号完整性在 PCB 可靠性设计中的应用 董磊 思源电气股份有限公司 摘 要： 如今, PCB 搭载的不同种类电路模块越来越多, 板上信号种类也趋于复杂, 同时, 随着 PCB 信号工作频率的提高, 信号完整性的控制愈发苛刻。这一切都促使我们使用系统的分析方法, 在设计前期进行器件布局及信号布线规则原理的把控, 这样便可在设计过程中满足信号完整性要求、提高电子产品可靠性。关键词： 信号完整性; 电磁波; 返回路径; 阻抗; 可靠性是一个成功产品的基本保证, 在现如今电路设计中, 随着集成电路输出开关速度的提高, 信号边沿越来越陡, 以及 PCB 板密度增加, 信号传输过程中的延迟、反射、串扰、
2、时序、振荡等问题也随之而来, 这些问题在设计过程中若不能得到有效控制, 就会带来信号完整性问题, 致使系统工作不稳定, 甚至完全不能正常工作。为满足这些产品更高功能与性能的要求, 满足信号完整性的电路设计技术己经成为电子工程师必须采取的设计手段。只有这样, 才能实现设计过程的可控性, 最终保证产品的可靠性。1. PCB 板级信号完整性1.1 电信号传输的本质电信号传输的本质是电磁波的传输, 电磁波是一种物质, 变化的电场必然会产生变化的磁场, 变化的磁场必然会产生变化的电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场, 这就是电磁场。变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。PCB 板,
3、本质是一种为电磁能量定向传输作导向的材料媒质。1.2 传输线任何物质都是波动的能量, 我们通常所说的信号是把信号看作了粒子, 信号频率是宏观指标。而电子是以波动状态存在的, 根据电子能量公式 E=hv, 信号上升时间长, 意味着电场或磁场变化速度快, 电磁场的辐射频率低, 电子只能在较低的能级波动, 整体特性接近粒子。反之, 信号上升时间短, 电子更容易提升到更高的能级, 在更大的范围内波动, 从而波动效应更明显。所以在 IPC-2141 中, 真实频率是以 f=0.35/Tr 定义的, 其中上升时间 Tr 越小, 真实频率越大。这就意味着同样是 100MHz 的信号, 方波的真实频率比正弦波
4、高。当导线的长度大于真实频率对应波长的 1/7 时, 这段导线被定义为传输线, 其上所传输的信号的波动效应占主导地位。举例说明:一段长度为 100mm 的线路, 三种不同频率 (20MHz, 波长 15m;100MHz, 波长 3m;3GHz, 波长 100mm) 的电信号传输时, 电信号频率越高, 同一时刻, 走线上不同位置的电压和电流差距越大, 电磁波波动传输的现象, 需要使用麦克斯韦方程组来描述。1.3 信号返回路径PCB 板构建电磁波的返回路径, 就是将电磁场中的电场线以更小的环路闭合, 从而引导电磁波的定向传输。所以返回路径的必须伴随着 PCB 板上信号路径设计, 传输线的信号路径和
5、返回路径两个基本要素构成了电磁波传输的物理环境。返回路径不一定必须是信号地、任何可以与信号路径构成最小回路的导体, 甚至是孤立的导体, 都可以作为信号的返回路径。如果周围没有导体可以提供返回路径, 那么自由空间就成为返回路径, 这就带来了 EMC 问题。1.4 特性阻抗PCB 作为电磁波传输的介质, 其特性阻抗大小是由电磁波传输媒质的介电常数和磁导率决定的, 用于描述这种介质传输电磁波的固有特性, 通常只与板材介电常数、板材介质厚度、线宽、铜箔厚度有关。由于特性阻抗是针对电磁波的定义, 只有当信号的波动性占主导时才必须考虑, 当导线上所传输信号的频率较低或上升时间较长时, 信号的特性偏向于电子
6、的移动的粒子性, 这时特性阻抗对信号带来的影响微乎其微, 采用经典电路理论进行分析即可。2. 基于信号完整性的 PCB 可靠性设计2.1 串扰电磁波在 PCB 传输线上传播时, 在整个空间中寻找返回路径, 其中, 由于电磁耦合而将相邻的导线作为返回路径而产生不期望的电压或电流噪声干扰, 就是串扰。为了减小串扰, 控制走线间距、减小平行走线的长度是最直接的方法, 但并不能完全消除, 最常用的就是 3W 原则。在布线空间允许的条件下, 在串扰严重的两条信号线之间插入一条地线, 可以减小两条信号线间的耦合, 进而减小串扰。2.2 叠层叠层设计时, 最好是使传输线路径上邻近层的有完整的参考平面, 在满
7、足特征阻抗的条件下, 应使导线层与参考平面间的介质层尽可能薄, 从而加大导线与参考平面间的耦合度, 不仅是为电磁波传输提供优质的返回路径, 同时还能减少相邻传输线的耦合串扰。由于表层只有一个参考平面, 表层信号相邻传输线的电场耦合比中间层的要强, 因而对串扰较敏感的信号线尽量布在上下邻近层均为平面层的内层。2.3 过孔当传输线通过过孔换层时, 应优先保证参考同一个参考平面, 这时过孔处的参考平面侧壁作为这两层信号纵向返回路径。当传输线换层参考的不是同一个地平面层, 则需要在换层过孔附近增加地回流过孔将不同的两个地平面层连接起来提供信号的纵向回流路径。当信号从发送端到达过孔时, 一部分信号会继续
8、通过过孔和导线进入到接收端, 另一部分信号会沿着过孔短桩传输, 当到最下端时, 由于下端是开路高阻抗, 信号会沿反方向反射回去, 这部分也会一部分沿着走线传输, 另一部分回到发送端。两者最终会在传输通道上进行叠加, 从而造成信号完整性问题。随着传输线上电磁波信号频率的提高, 过孔短桩带来的危害越大。为了减小短桩, 导线换层设计时可使用过孔连接顶层和底层信号, 在成本允许的条件下使用背钻、盲孔或埋孔设计消除短桩。另外, 过孔设计时内层未连线的孤立焊盘应去除, 这些孤立焊盘也属于短桩。同样的情况也出现在导线中, 菊花链拓扑就要求各分支尽量短, 目的就是减小导线的短桩, 从而减小信号反射。2.4 电
9、容真实的电容, 有寄生电阻、寄生电感, 在自谐振频率以下呈容性, 这时阻抗随着信号频率的升高逐渐减小, 在自谐振频率点达到最低, 自谐振频率以上呈感性, 随着信号频率的升高阻抗升高。当导线通过过孔换层时, 如果换层前后参考不同网络的平面层, 在过孔附近应增加电容连接两平面, 为传输线导通孔处纵向提供信号返回路径。当导线跨越参考平面分割壕沟时, 跨越处也应设计连接壕沟两侧平面的电容, 以填补信号的返回路径, 这种电容统称为接缝电容。若没有就近设计或无这种电容, 将会增加信号回流面积, 造成辐射和信号完整性问题。元器件的引脚、PCB 焊盘、导线、过孔也有寄生 RLC, 高速信号的返回电流沿着电感最
10、小路径前进, 工艺条件允许, 应尽量使用小尺寸的电容, 以减少寄生 RLC 的影响。多个电容并联时, 每一个电容引脚均需通过独立过孔连接到大的地平面, 相当于将电容引脚与地平面的寄生电感并联, 从而减轻寄生电感的影响。AC 耦合电容串接在信号中, 在没有规范要求的情况下, 优先靠近接收端放置, 使非理想电容带来的阻抗突变尽量晚发生, 这样已经传输过一段路径略微衰减后的信号反射带来的影响就越小, 如果是芯片与连接器连接, 通常应靠近连接器放置, 以提供过电压保护。2.5 阻抗匹配信号只要遇到阻抗突变, 在分界面出反射就会发生。通常反射可能发生在互连线拐角、过孔、T 型结构、接插件等处。信号反射
11、(包括正向和反向) , 过冲、下冲、振铃等信号完整性问题均是信号反射的结果。反射产生的原因是交界面两侧的电压和电流都必须相等, 为了使整个系统协调稳定, 交界面必须产生一个反射电压平衡入射信号和传输信号之间不匹配的电压和电流。阻抗匹配是指信号源、传输线和负载具有相同的阻抗, 这时反射就不会发生, 能量以最大功率传递到接收端而较少地损耗。在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的情况下, PCB 设计时在靠近源端的位置串联一个电阻, 相当于和发送端内部低阻抗串联, 使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配, 达到消除源端反射的目的。在负载端阻抗高于传输线特征阻抗的情况下, PCB 设计时靠近接收端增加并
12、联电阻, 该电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等, 相当于和接收端内部高阻抗并联, 使负载端等效阻抗与传输线的特征阻抗相匹配, 达到消除负载端反射的目的。当前一些芯片内建ODT 电阻, 从而更有效地减少信号的反射。高速 PCB 设计时, 传输线阻抗具体控制值应按照芯片或同轴电缆厂商及应用场合的要求进行。大多要求阻抗控制为 50 欧姆, 主要原因是为了使信号传输损耗最小, 大多数芯片及同轴电缆设计制造时就是针对 50 欧姆阻抗的传输线进行的。过孔是一个内壁镀铜的金属管道, 本身是阻抗突变点, 会导致阻抗变小。对于电源、地过孔, 应使用较大内径, 以减小其寄生电感, 对于信号过孔, 在加工工艺允
13、许的情况下, 要使用内径较小的过孔、较小的外径, 在布线密度允许的情况下, 导通孔的隔离焊盘也可适当加大, 这些做法不仅是为了提升过孔的阻抗, 使阻抗变化变缓, 同时, 也是是为了减小过孔的寄生电容, 从而将过孔的自谐振频率点往更高频方向推移。2.6 模数设计模数混合 PCB 板, 数字信号不可以干扰到模拟信号, 模拟信号布线不可以产生过多的寄生 RLC。通常会要求进行地平面的分割, 但不应该强行将模拟部分的地和数字部分的地完全分离, 并用一个磁珠或电阻连接, 因为磁珠或电阻都不可避免带有寄生电感, 在高频电流时, 会对电流产生较大的阻抗, 导致数字区域和模拟区域的地平面产生微细的位准差异,
14、影响采样精度。对于单片 ADC 系统, PCB 设计时数模地可在靠近 ADC 芯片的正下方使用铜箔直接连接在一起, 形成地连接桥。多片 ADC 时, 如果在每一个 ADC 芯片的下面都将模拟地和数字地用连接桥连接在一起, 则模拟地和数字地之间就通过多点连接的桥形成环路电流, 这种情况下, PCB 设计时需将 ADC 芯片尽量靠近, 只在 ADC 布局区域的下方将数字地和模拟地连接在一起。此外, 需确保在所有层上没有数字信号线位于模拟部分之上, 也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且, 任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙, 从而避免形成环路天线或偶极天线而产生 EMC 问题。3
15、. 可靠性 PCB 设计在实际工程中的应用3.1 电气自动化控制系统的基本组成常规的电气自动化控制系统, 其输入包括数字开入量和模拟量输入, 开入量采集现场开关, 刀闸等位置信息, 模拟量输入则是使用互感器, 将待测的电压和电流值调节到5V 或10V 等标准低电压范围信号, 然后对模拟信号进行滤波、采样保持、模数转换产生主控制模块所需的数字量。系统输出主要为数字开出量, 通过继电器或光耦等隔离器件对外部相关接点进行开、闭控制或输出到外部接点启动另外回路。系统控制核心为主控制系统, 包括嵌入式微控制器、程序运行 RAM、程序、数据存储 Flash、通信接口等, 按照预定程序完成各种电气量测量、逻
16、辑处理、计算和控制操作。3.2 模拟量输入系统 PCB 可靠性设计互感器端, PCB 设计需要确保一次端和机壳地的电气绝缘间距、一次侧和二次侧输出信号的电气绝缘间距。模拟信号滤波最常用的是使用一阶或二阶 RC 低通滤波器, 将高频分量滤除, 防止高频分量混叠到后端信号。PCB 设计需将 RC 器件同一面布局, 不可以通过过孔连接, 这主要是为了消除过孔寄生 RLC 对滤波指标的影响。有些 ADC 芯片内置采样保持, 如果外置, 则要确保这部分布线尽量粗、短且少过孔。由于在电力线路测量和保护系统中, 需要对多相输配电网络的大量电流和电压通道进行同步采样, 因此通常需要使用多片 ADC 芯片进行数据采集, PCB 设计时, 需要将多片 ADC 靠近布局, 地平面只能在多片 ADC 芯片布局区域下方形成地连接桥, 且最好使用外部参考电压源, 这样能够消除不同内部参考电压的差别, 基准电压产生器件需要布局在多片 ADC 的中间位置, 确保基准电压均通过最短路径到达每片 ADC。3.3 开关量输入及输出系统 PCB 可靠性设计一次侧和二次测通信主
