PCB走線策略

PCB走線策略

布線（Layout）是PCB設(shè)計(jì)工程師最基本的工作技能之一。走線的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，大多數(shù)高速的設(shè)計(jì)理論也要最終經(jīng)過(guò)Layout得以實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，由此可見(jiàn)，布線在高速PCB設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。下面將針對(duì)實(shí)際布線中可能遇到的一些情況，分析其合理性，并給出一些比較優(yōu)化的走線策略。主要從直角走線，差分走線，蛇形線等三個(gè)方面來(lái)闡述。
1． 直角走線
直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，那么直角走線究竟會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生多大的影響呢？從原理上說(shuō)，直角走線會(huì)使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。其實(shí)不光是直角走線，頓角，銳角走線都可能會(huì)造成阻抗變化的情況。
直角走線的對(duì)信號(hào)的影響就是主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時(shí)間；二是阻抗不連續(xù)會(huì)造成信號(hào)的反射；三是直角尖端產(chǎn)生的EMI。
傳輸線的直角帶來(lái)的寄生電容可以由下面這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算：
C=61W(Er)1/2/Z0
在上式中，C就是指拐角的等效電容（單位：pF），W指走線的寬度（單位：inch），εr指介質(zhì)的介電常數(shù)，Z0就是傳輸線的特征阻抗。舉個(gè)例子，對(duì)于一個(gè)4Mils的50歐姆傳輸線（εr為4.3）來(lái)說(shuō)，一個(gè)直角帶來(lái)的電容量大概為0.0101pF，進(jìn)而可以估算由此引起的上升時(shí)間變化量：
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通過(guò)計(jì)算可以看出，直角走線帶來(lái)的電容效應(yīng)是極其微小的。
由于直角走線的線寬增加，該處的阻抗將減小，于是會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)反射現(xiàn)象，我們可以根據(jù)傳輸線章節(jié)中提到的阻抗計(jì)算公式來(lái)算出線寬增加后的等效阻抗，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算反射系數(shù)：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，一般直角走線導(dǎo)致的阻抗變化在7%-20%之間，因而反射系數(shù)最大為0.1左右。而且，從下圖可以看到，在W/2線長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)傳輸線阻抗變化到最小，再經(jīng)過(guò)W/2時(shí)間又恢復(fù)到正常的阻抗，整個(gè)發(fā)生阻抗變化的時(shí)間極短，往往在10ps之內(nèi)，這樣快而且微小的變化對(duì)一般的信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)幾乎是可以忽略的。
很多人對(duì)直角走線都有這樣的理解，認(rèn)為尖端容易發(fā)射或接收電磁波，產(chǎn)生EMI，這也成為許多人認(rèn)為不能直角走線的理由之一。然而很多實(shí)際測(cè)試的結(jié)果顯示，直角走線并不會(huì)比直線產(chǎn)生很明顯的EMI。也許目前的儀器性能，測(cè)試水平制約了測(cè)試的精確性，但至少說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，直角走線的輻射已經(jīng)小于儀器本身的測(cè)量誤差。總的說(shuō)來(lái)，直角走線并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的應(yīng)用中，其產(chǎn)生的任何諸如電容，反射，EMI等效應(yīng)在TDR測(cè)試中幾乎體現(xiàn)不出來(lái)，高速PCB設(shè)計(jì)工程師的重點(diǎn)還是應(yīng)該放在布局，電源/地設(shè)計(jì)，走線設(shè)計(jì)，過(guò)孔等其他方面。當(dāng)然，盡管直角走線帶來(lái)的影響不是很?chē)?yán)重，但并不是說(shuō)我們以后都可以走直角線，注意細(xì)節(jié)是每個(gè)優(yōu)秀工程師必備的基本素質(zhì)，而且，隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展，PCB工程師處理的信號(hào)頻率也會(huì)不斷提高，到10GHz以上的RF設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這些小小的直角都可能成為高速問(wèn)題的重點(diǎn)對(duì)象。
2． 差分走線
差分信號(hào)（Differential Signal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，什么另它這么倍受青睞呢？在PCB設(shè)計(jì)中又如何能保證其良好的性能呢？帶著這兩個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行下一部分的討論。
何為差分信號(hào)？通俗地說(shuō)，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱(chēng)為差分走線。
差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
a.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。
b.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。
c.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS（low voltage differentialsignaling）就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。
對(duì)于PCB工程師來(lái)說(shuō)，最關(guān)注的還是如何確保在實(shí)際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢(shì)。也許只要是接觸過(guò)Layout的人都會(huì)了解差分走線的一般要求，那就是“等長(zhǎng)、等距”。等長(zhǎng)是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)刻保持相反極性，減少共模分量；等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射?！氨M量靠近原則”有時(shí)候也是差分走線的要求之一。但所有這些規(guī)則都不是用來(lái)生搬硬套的，不少工程師似乎還不了解高速差分信號(hào)傳輸?shù)谋举|(zhì)。下面重點(diǎn)討論一下PCB差分信號(hào)設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)。
誤區(qū)一：認(rèn)為差分信號(hào)不需要地平面作為回流路徑，或者認(rèn)為差分走線彼此為對(duì)方提供回流途徑。造成這種誤區(qū)的原因是被表面現(xiàn)象迷惑，或者對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入。從圖1-8-15的接收端的結(jié)構(gòu)可以看到，晶體管Q3,Q4的發(fā)射極電流是等值，反向的，他們?cè)诮拥靥幍碾娏髡孟嗷サ窒↖1=0），因而差分電路對(duì)于類(lèi)似地彈以及其它可能存在于電源和地平面上的噪音信號(hào)是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分電路就不以參考平面作為信號(hào)返回路徑，其實(shí)在信號(hào)回流分析上，差分走線和普通的單端走線的機(jī)理是一致的，即高
頻信號(hào)總是沿著電感最小的回路進(jìn)行回流，最大的區(qū)別在于差分線除了有對(duì)地的耦合之外，還存在相互之間的耦合，哪一種耦合強(qiáng)，那一種就成為主要的回流通路，圖1-8-16是單端信號(hào)和差分信號(hào)的地磁場(chǎng)分布示意圖。
在PCB電路設(shè)計(jì)中，一般差分走線之間的耦合較小，往往只占10~20%的耦合度，更多的還是對(duì)地的耦合，所以差分走線的主要回流路徑還是存在于地平面。當(dāng)?shù)仄矫姘l(fā)生不連續(xù)的時(shí)候，無(wú)參考平面的區(qū)域，差分走線之間的耦合才會(huì)提供主要的回流通路，見(jiàn)圖1-8-17所示。盡管參考平面的不連續(xù)對(duì)差分走線的影響沒(méi)有對(duì)普通的單端走線來(lái)的嚴(yán)重，但還是會(huì)降低差分信號(hào)的質(zhì)量，增加EMI，要盡量避免。也有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，可以去掉差分走線下方的參考平面，以抑制差分傳輸中的部分共模信號(hào)，但從理論上看這種做法是不可取的，阻抗如何控制？不給共模信號(hào)提供地阻抗回路，勢(shì)必會(huì)造成EMI輻射，這種做法弊大于利。
誤區(qū)二：認(rèn)為保持等間距比匹配線長(zhǎng)更重要。在實(shí)際的PCB布線中，往往不能同時(shí)滿足差分設(shè)計(jì)的要求。由于管腳分布，過(guò)孔，以及走線空間等因素存在，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)睦@線才能達(dá)到線長(zhǎng)匹配的目的，但帶來(lái)的結(jié)果必然是差分對(duì)的部分區(qū)域無(wú)法平行，這時(shí)候我們?cè)撊绾稳∩崮?？在下結(jié)論之前我們先看看下面一個(gè)仿真結(jié)果。從上面的仿真結(jié)果看來(lái)，方案1和方案2波形幾乎是重合的，也就是說(shuō)，間距不等造成的影響是微乎其微的，相比較而言，線長(zhǎng)不匹配對(duì)時(shí)序的影響要大得多（方案3）。再?gòu)睦碚摲治鰜?lái)看，間距不一致雖然會(huì)導(dǎo)致差分阻抗發(fā)生變化，但因?yàn)椴罘謱?duì)之間的耦合本身就不顯著，所以阻抗變化范圍也是很小的，通常在10%以?xún)?nèi)，只相當(dāng)于一個(gè)過(guò)孔造成的反射，這對(duì)信號(hào)傳輸不會(huì)造成明顯的影響。而線長(zhǎng)一旦不匹配，除了時(shí)序上會(huì)發(fā)生偏移，還給差分信號(hào)中引入了共模的成分，降低信號(hào)的質(zhì)量，增加了EMI。
可以這么說(shuō)，PCB差分走線的設(shè)計(jì)中最重要的規(guī)則就是匹配線長(zhǎng)，其它的規(guī)則都可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活處理。
誤區(qū)三：認(rèn)為差分走線一定要靠的很近。讓差分走線靠近無(wú)非是為了增強(qiáng)他們的耦合，既可以提高對(duì)噪聲的免疫力，還能充分利用磁場(chǎng)的相反極性來(lái)抵消對(duì)外界的電磁干擾。雖說(shuō)這種做法在大多數(shù)情況下是非常有利的，但不是絕對(duì)的，如果能保證讓它們得到充分的屏蔽，不受外界干擾，那么我們也就不需要再讓通過(guò)彼此的強(qiáng)耦合達(dá)到抗干擾和抑制EMI的目的了。如何才能保證差分走線具有良好的隔離和屏蔽呢？增大與其它信號(hào)走線的間距是最基本的途徑之一，電磁場(chǎng)能量是隨著距離呈平方關(guān)系遞減的，一般線間距超過(guò)4倍線寬時(shí)，它們之間的干擾就極其微弱了，基本可以忽略。此外，通過(guò)地平面的隔離也可以起到很好的屏蔽作用，這種結(jié)構(gòu)在高頻的（10G以上）IC封裝PCB設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用采用，被稱(chēng)為CPW結(jié)構(gòu)，可以保證嚴(yán)格的差分阻抗控制（2Z0），如圖1-8-19。
差分走線也可以走在不同的信號(hào)層中，但一般不建議這種走法，因?yàn)椴煌膶赢a(chǎn)生的諸如阻抗、過(guò)孔的差別會(huì)破壞差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼?。此外，如果相鄰兩層耦合不夠緊密的話，會(huì)降低差分走線抵抗噪聲的能力，但如果能保持和周?chē)呔€適當(dāng)?shù)拈g距，串?dāng)_就不是個(gè)問(wèn)題。在一般頻率（GHz以下），EMI也不會(huì)是很?chē)?yán)重的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明，相距500Mils的差分走線，在3米之外的輻射能量衰減已經(jīng)達(dá)到60dB，足以滿足FCC的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)者根本不用過(guò)分擔(dān)心差分線耦合不夠而造成電磁不兼容問(wèn)題。
3． 蛇形線
蛇形線是Layout中經(jīng)常使用的一類(lèi)走線方式。其主要目的就是為了調(diào)節(jié)延時(shí)，滿足系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)者首先要有這樣的認(rèn)識(shí)：蛇形線會(huì)破壞信號(hào)質(zhì)量，改變傳輸延時(shí)，布線時(shí)要盡量避免使用。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證信號(hào)有足夠的保持時(shí)間，或者減小同組信號(hào)之間的時(shí)間偏移，往往不得不故意進(jìn)行繞線。
那么，蛇形線對(duì)信號(hào)傳輸有什么影響呢？走線時(shí)要注意些什么呢？其中最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)就是平行耦合長(zhǎng)度（Lp）和耦合距離（S），如圖1-8-21所示。很明顯，信號(hào)在蛇形走線上傳輸時(shí)，相互平行的線段之間會(huì)發(fā)生耦合，呈差模形式，S越小，Lp越大，則耦合程度也越大?？赡軙?huì)導(dǎo)致傳輸延時(shí)減小，以及由于串?dāng)_而大大降低信號(hào)的質(zhì)量，其機(jī)理可以參考第三章對(duì)共模和差模串?dāng)_的分析。
下面是給Layout工程師處理蛇形線時(shí)的幾點(diǎn)建議：
1． 盡量增加平行線段的距離（S），至少大于3H，H指信號(hào)走線到參考平面的距離。通俗的說(shuō)就是繞大彎走線，只要S足夠大，就幾乎能完全避免相互的耦合效應(yīng)。
2． 減小耦合長(zhǎng)度Lp，當(dāng)兩倍的Lp延時(shí)接近或超過(guò)信號(hào)上升時(shí)間時(shí)，產(chǎn)生的串?dāng)_將達(dá)到飽和。
3． 帶狀線（Strip-Line）或者埋式微帶線（Embedded Micro-strip）的蛇形線引起的信號(hào)傳輸延時(shí)小于微帶走線（Micro-strip）。理論上，帶狀線不會(huì)因?yàn)椴钅４當(dāng)_影響傳輸速率。
4． 高速以及對(duì)時(shí)序要求較為嚴(yán)格的信號(hào)線，盡量不要走蛇形線，尤其不能在小范圍內(nèi)蜿蜒走線。
5． 可以經(jīng)常采用任意角度的蛇形走線，如圖1-8-20中的C結(jié)構(gòu)，能有效的減少相互間的耦合。
6． 高速PCB設(shè)計(jì)中，蛇形線沒(méi)有所謂濾波或抗干擾的能力，只可能降低信號(hào)質(zhì)量，所以只作時(shí)序匹配之用而無(wú)其它目的。
7． 有時(shí)可以考慮螺旋走線的方式進(jìn)行繞線，仿真表明，其效果要優(yōu)于正常的蛇形走線。