高速PCB設(shè)計指南

以下文章來源于Altium ，作者Altium

如今，可以認為大多數(shù)PCB存在某種類型的信號完整性問題的風(fēng)險，這種問題通常與高速數(shù)字設(shè)計相關(guān)。高速PCB設(shè)計和布局專注于創(chuàng)建不易受信號完整性、電源完整性和EMI/EMC問題影響的電路板設(shè)計。雖然沒有任何設(shè)計能夠完全避免這些問題，但通過遵循這些高速電路板設(shè)計指南，可以將其減少到不明顯的程度，并且不會在最終產(chǎn)品中造成性能問題。

創(chuàng)建原理圖并準備過渡到PCB布局后，您需要利用PCB設(shè)計工具中的特定功能來正確布局和布線。在您的PCB設(shè)計軟件中，您將有機會在疊層中準備電源和接地平面布置、計算走線的阻抗曲線并查看疊層的PCB材料選項。高速設(shè)計的大多數(shù)方面都圍繞PCB疊層設(shè)計和布線以確保信號和電源完整性，而一個合適的ECAD軟件可以幫助您在這些領(lǐng)域取得成功。

高速數(shù)字設(shè)計基礎(chǔ)知識

那么，什么是高速電路板設(shè)計？高速設(shè)計特指使用高速數(shù)字信號在元件之間傳遞數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。高速數(shù)字設(shè)計與采用較慢數(shù)字協(xié)議的簡單電路板之間的分界線是模糊的。用于將特定系統(tǒng)表示為“高速”的一般指標(biāo)是系統(tǒng)中使用的數(shù)字信號的邊沿速率（或上升時間）。大多數(shù)數(shù)字設(shè)計同時使用高速（快邊沿速率）和低速（慢邊沿速率）數(shù)字協(xié)議。在當(dāng)今的嵌入式計算和物聯(lián)網(wǎng)時代，大多數(shù)高速電路板都有一個用于無線通信和網(wǎng)絡(luò)的RF前端。

盡管所有設(shè)計都從原理圖開始，但高速PCB設(shè)計的主要部分集中在互連設(shè)計、PCB堆疊設(shè)計和布線上。如果您在前兩個方面均取得成功，那么在第三個方面也很可能會成功。請閱讀以下部分，了解如何著手高速設(shè)計，以及PCB設(shè)計軟件的重要作用。

規(guī)劃您的高速PCB疊層和阻抗

您為高速電路板創(chuàng)建的PCB疊層將決定阻抗以及布線的難易程度。所有PCB疊層都包括一組專用于高速信號、電源和接地平面的層，在疊層中分配層時需要考慮以下幾點：

電路板尺寸和網(wǎng)數(shù)：電路板有多大，您需要在PCB布局中布線多少網(wǎng)。物理意義上較大的電路板可能有足夠的空間允許您在整個PCB布局中布線，而無需使用多個信號層。

布線密度：在網(wǎng)數(shù)較高且電路板尺寸受限于較小區(qū)域的情況下，表層周圍可能沒有太多布線空間。因此，當(dāng)走線靠得更近時，您將需要更多的內(nèi)部信號層。采用較小的電路板尺寸可能會強制提高布線密度。

接口數(shù)量：有時每層僅布線一個或兩個接口是很好的策略，具體取決于總線寬度（串聯(lián)與并聯(lián)）和電路板尺寸。將所有信號保持在同一層的高速數(shù)字接口中可確保所有信號看到一致的阻抗和偏斜。

低速和RF信號：您的數(shù)字設(shè)計中是否會有任何低速數(shù)字或RF信號？如果是這樣，這些可能會占用表面層上可用于高速總線或元件的空間，并且可能需要額外的內(nèi)部層。

電源完整性：電源完整性的基石之一是使用大型電源平面和接地層來滿足大型集成電路所需的每個電壓等級。這些應(yīng)該放在相鄰的層上，以幫助確保有高平面電容來支持去耦電容器的穩(wěn)定電源。

PCB材料選項、層數(shù)和厚度

在設(shè)計PCB疊層之前，請考慮設(shè)計中容納所有數(shù)字信號所需的層數(shù)。有幾種方法可以確定這一點，但是這些方法依賴于一點數(shù)學(xué)知識以及在高速電路板設(shè)計方面的過往經(jīng)驗。除了上面列出的考慮層數(shù)的要點外，具有BGA/LGA封裝的大型高速IC也可以決定所需的電路板尺寸。在進行BGA扇出時，每個信號層通?？梢匀菁{2行，并且在構(gòu)建疊層時確保在層數(shù)中包括電源層和接地平面層數(shù)。

附帶大型多邊形的FPGA上的BGA扇出用于在高速設(shè)計中供電

只要元件之間的線路不過長，F(xiàn)R4級材料通?？捎糜诟咚贁?shù)字設(shè)計。如果布線確實變得過長，高速通道就會有過多損失，并且通道接收端的元件可能無法恢復(fù)信號。選擇材料時要考慮的主要材料特性是PCB層壓板的損耗角正切。通道幾何形狀也將決定損耗，但通常選擇損耗角正切較低的FR4層壓板是在較小型電路板中開始的好地方。

如果您的布線過長，則可能需要更專業(yè)的材料作為高速信號的基板。基于PTFE的層壓板、偏光玻璃層壓板或其他特殊材料系統(tǒng)是支持更大的高速數(shù)字電路板的不錯選擇，這些電路板的布線非常長且需要低插入損耗。370HR是一套適用于小型高速PCB的入門級高TG層壓材料。對于較大的電路板，Megtron或Duroid層壓板等材料也是不錯的選擇。在繼續(xù)之前，請咨詢您的制造商，確保您的材料選擇和建議的堆疊是可制造的。

阻抗控制

只有在您創(chuàng)建擬議的疊層并與你的制造廠完成驗證后，才能確定阻抗。制造商可以提議對PCB堆疊進行修改，例如替代的PCB材料選項或?qū)雍穸?。在疊層上獲得間隙并最終確定層厚度后，您就可以開始計算阻抗值。

阻抗通常使用公式或附帶場求解器工具的計算器進行計算。設(shè)計中所需的阻抗將決定傳輸線的尺寸，以及與附近電源層或接地層的距離。傳輸線的寬度可以通過以下一些工具來確定：

IPC-2141和Waddell公式：這些公式為阻抗估計提供了一個起點，并且它們在較低頻率下產(chǎn)生準確的結(jié)果。

2D/3D場求解器實用程序：場求解器用于在您為高速板定義的傳輸線幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)求解麥克斯韋方程。

使用附帶場求解器的層堆疊管理器將為您提供最準確的結(jié)果，同時考慮到銅的粗糙度、蝕刻、不對稱線路排列和差分對。計算出走線的阻抗曲線后，您需要在布線工具中將其設(shè)置為設(shè)計規(guī)則，以確保走線具備所需的阻抗。

高速電路板中傳輸線設(shè)計的阻抗計算。Altium Designer中的“層堆棧管理器”包含一個阻抗計算器，用于計算銅的粗糙度。

大多數(shù)高速信號協(xié)議，如PCIe或以太網(wǎng)，都使用差分對布線，所以您需要通過計算走線寬度和間距來設(shè)計成特定的差分阻抗。場求解器工具是計算任何幾何形狀（微帶線、帶狀線或共面）的微分阻抗的最佳工具。場求解器工具的另一個重要結(jié)果是傳播延遲，它將在高速布線過程中被用來執(zhí)行長度調(diào)整。

對高速PCB進行布局規(guī)劃

對于高速PCB布局中元件的布置位置，沒有具體的規(guī)則或標(biāo)準。一般來說，將最大的中央處理器IC放置在靠近電路板中心的位置是個好主意，因為它通常需要以某種方式與電路板上的所有其他元件連接?？蓪⒅苯优c中央處理器連接的較小IC放置在中央IC周圍，以便元件之間的布線可以保持短而直接。然后，可在電路板周圍放置外圍設(shè)備，以提供所需的功能。

當(dāng)主控制器IC放置在電路板的中心附近，而其他高速外圍設(shè)備放置在其周圍時，高速布局效果最佳。這是主板在電路板中央放置大型處理器的原因之一。Altium Designer中的MiniPC項目將其PCIe、DDR4、USB 3.0和以太網(wǎng)外圍設(shè)備放置在中央FPGA SoC周圍，因此布線更加容易。

放置元件后，您可以使用PCB設(shè)計工具來幫助您開始設(shè)計布線。這是高速數(shù)字電路設(shè)計的敏感部分，因為不正確的布線會破壞信號完整性。如果正確完成前面的步驟，則更容易實現(xiàn)信號完整性。您應(yīng)該在PCB設(shè)計規(guī)則中設(shè)置阻抗曲線，以便設(shè)計中的任何布線均以正確的寬度、間隙和間距放置，在布線過程中保持受控阻抗。

布線、信號完整性和電源完整性

信號完整性始于設(shè)計電路板的特定阻抗值并在布局和布線期間保持該阻抗值。確保信號完整性的其他一些策略包括：

旨在縮短元件之間的路徑以確保高速信號

盡量減少通過過孔的布線，理想情況下僅使用兩個過孔進出內(nèi)層

通過背鉆消除超高速線路（例如 10G+ 以太網(wǎng)）上的短截線

注意是否需要任何終端電阻以防止信號反射；查看數(shù)據(jù)表以檢查是否存在片上終端

請咨詢您的制造商，了解哪些材料和工藝可以幫助避免纖維編織效應(yīng)

使用粗略的串?dāng)_計算或模擬來確定電路板布局中網(wǎng)絡(luò)之間的適當(dāng)間距

保留需要長度匹配的總線和網(wǎng)絡(luò)列表，以便可以應(yīng)用調(diào)整結(jié)構(gòu)來消除偏移

這些要點可以設(shè)置為布線工具的設(shè)計規(guī)則，這將有助于確保您遵守高速設(shè)計的最佳實踐。

高速PCB布線

您在高速設(shè)計項目中設(shè)置的設(shè)計規(guī)則將確保您在設(shè)計布線時滿足阻抗、間距和長度目標(biāo)。此外，可以在您的布線中強制執(zhí)行差分對布線中的重要規(guī)則，特別是最小化長度不匹配，以防止走線之間的偏移和強制間距，以確保滿足差分阻抗目標(biāo)。最好的布線工具將允許您將走線幾何限制編輯為設(shè)計規(guī)則，從而確保性能。

長度調(diào)整用于跨并行總線和差分對中的走線之間，以確保時延匹配并消除接收器上所見信號之間的偏差。

高速PCB布線中最重要的一點是在走線附近放置接地平面。疊層應(yīng)構(gòu)建為在與阻抗控制信號相鄰的層中具有接地平面，以便保持一致的阻抗并在PCB布局中定義清晰的返回路徑。不應(yīng)在接地層中的間隙或裂縫上放置走線，以避免產(chǎn)生EMI問題的阻抗不連續(xù)性。接地平面布置并不局限于確保信號完整性，它在電源完整性和確保穩(wěn)定的電力輸送方面也發(fā)揮著作用。

電源完整性

電源完整性是一個廣泛的話題，與高速PCB設(shè)計高度相關(guān)。確保向高速元件提供穩(wěn)定的功率在PCB設(shè)計中至關(guān)重要，因為電源完整性問題可能偽裝成信號完整性問題。電源完整性側(cè)重于向元件提供低噪聲電力。PCB疊層和PDN的布局是決定數(shù)字設(shè)計中電源完整性水平的主要因素。如果成功完成，功率將輸送到具有低噪聲和電源軌上非常微弱的瞬態(tài)振蕩的快速數(shù)字元件。設(shè)計具有良好電源完整性的高速PCB可確保低排放、低噪聲功率輸送，并消除高速互連中出現(xiàn)的一些SI問題。

適用于高速設(shè)計和布局的高級工具

一個優(yōu)秀的高速PCB設(shè)計軟件會將所有這些功能整合到一個應(yīng)用中，而不是強迫您使用單獨的工作流程來克服不同的設(shè)計挑戰(zhàn)。高速PCB布局設(shè)計人員必須在前端執(zhí)行大量工作以確保信號完整性、電源完整性和電磁兼容性，但是正確的高速布局工具可以幫助您將結(jié)果作為設(shè)計規(guī)則實施，以確保設(shè)計按預(yù)期執(zhí)行。

更高級的PCB設(shè)計軟件將與仿真應(yīng)用對接，以幫助您執(zhí)行符合行業(yè)標(biāo)準的分析。一些仿真程序?qū)ｉT用于評估新設(shè)計中的信號完整性和電源完整性，以及檢查PCB布局中的EMI。仿真在高速設(shè)計中非常有用，因為它們可以幫助用戶在設(shè)計進入制造之前查明具體的SI/PI/EMI問題。一些示例包括返回路徑跟蹤、在走線中定位阻抗不連續(xù)性，以及為防止EMI而采用去耦電容器的理想布局。

使用高速設(shè)計軟件完成您的物理布局

當(dāng)您需要構(gòu)建先進的高速數(shù)字系統(tǒng)，同時確保維持信號完整性和電源完整性時，請使用基于規(guī)則驅(qū)動設(shè)計引擎的最佳高速設(shè)計和布局工具集。無論您需要布局密集的單板計算機還是復(fù)雜的混合信號PCB，優(yōu)秀的PCB布局工具將幫助您在創(chuàng)建高速PCB布局時保持靈活性。