如何優(yōu)化高頻電路板 layout 設(shè)計(jì)？

本文要點(diǎn)

高頻 PCB 和高速 PCB 之間是否有區(qū)別？

高頻 PCB 設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)

高頻 PCB layout 優(yōu)化設(shè)計(jì)指南

雖然我們通常認(rèn)為噪聲與聲音干擾的音量有關(guān)，但噪聲的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的聽覺范圍—最高約為 20 kHz。事實(shí)上，電子設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員認(rèn)定的噪聲大部分只能在示波器或類似設(shè)備上看到，而人耳是聽不到的。無論是聽到還是看到的噪聲，我們通常所說的噪聲都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是噪聲具有干擾性。

噪聲是高頻 PCB 設(shè)計(jì)的克星

對(duì)于依賴高保真度的數(shù)據(jù)和信息才能正常運(yùn)行的電子系統(tǒng)來說，噪聲或電磁干擾 (EMI) 是電子線路板上和電子線路板之間的主要干擾源。對(duì)于高速和高頻 PCB 設(shè)計(jì)而言，優(yōu)化 PCB layout 的許多指導(dǎo)原則都是嚴(yán)格按照一定的要求制定的，即減少或消除板載 EMI 和/或在運(yùn)行環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳電磁兼容性 (EMC)。

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高頻 PCB 與高速 PCB

頻率和速度通常是同義詞，讓我們來明確一下這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義：

高速 PCB

速度是一個(gè)時(shí)域術(shù)語(yǔ)，高速 PCB 通常用于描述以較快或較高的數(shù)據(jù)傳輸速率或比特率傳輸、接收和/或處理數(shù)字信號(hào)的電路板。

高頻 PCB

在頻域中，描述信號(hào)的方式是它們完成一個(gè)周期需要多長(zhǎng)時(shí)間。高頻 PCB 通常指?jìng)鞑?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬或射頻信號(hào)頻率較高的電路板。

與模擬信號(hào)不同的是，數(shù)字信號(hào)不一定具有持續(xù)重復(fù)的周期。然而，模擬信號(hào)頻率（以 s-1 或 Hz 為單位）和數(shù)字信號(hào)速度（以比特/秒或字節(jié)/秒為單位）都是以時(shí)間為單位進(jìn)行測(cè)量的。具體講解歡迎點(diǎn)擊文末閱讀原文觀看視頻。

在 Allegro X PCB Designer 工具中的高速設(shè)計(jì)

高頻或高速對(duì)于電子線路板的意義是相同的。也就是說，“高”意味著電路板上信號(hào)變化的速度會(huì)使信號(hào)完整性受到阻抗和其他電路板參數(shù)的嚴(yán)重影響。但是，到底多高才算“高”呢？對(duì)于射頻信號(hào)而言，頻率超過約 50 MHz 乃至微波范圍時(shí)，就會(huì)對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生影響。而對(duì)于數(shù)字信號(hào)來說，答案卻沒有這么簡(jiǎn)單。

PCBA 可根據(jù)最快的信號(hào)所在的速度域進(jìn)行分類?？煞譃橐韵氯齻€(gè)速度域：

速度域

如上圖所示，如果信號(hào)在通過路徑長(zhǎng)度所需時(shí)間的 1/4 時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換，則電路板被歸類為慢速電路板，頻率或速度不會(huì)對(duì)電路板的性能或信號(hào)完整性產(chǎn)生重大影響。對(duì)于快速電路板，頻率可能會(huì)產(chǎn)生一些影響。不過，可以通過縮短路徑長(zhǎng)度來減輕影響。對(duì)于高速和高頻 PCB 設(shè)計(jì)而言，有一些挑戰(zhàn)必須要加以應(yīng)對(duì)。

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高頻 PCB 設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

高頻 PCBA 的設(shè)計(jì)與大多數(shù)其他電路板的設(shè)計(jì)類似，都應(yīng)遵循旨在確保可靠性和可制造性的 IPC 標(biāo)準(zhǔn)。但是，為了確保符合電路板性能標(biāo)準(zhǔn)，高頻電路板還需要考慮以下一些問題——

輻射

高頻和高速電路板通常包含會(huì)輻射 EMI 的器件。這些設(shè)備（如無線發(fā)射器、轉(zhuǎn)換器和電源）會(huì)產(chǎn)生板載 EMI，并影響電路板安裝環(huán)境的電磁兼容性。

吸收

與輻射 EMI 相反，電路板可能會(huì)吸收附近電路板或設(shè)備的輻射，從而影響電路板的性能。

信號(hào)衰減

限制信號(hào)衰減是一個(gè)主要的考慮因素，當(dāng)差分對(duì)不匹配、傳輸線過長(zhǎng)、缺乏所需屏蔽或存在其他誘因時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減。

反射

信號(hào)完整性低下的另一個(gè)原因是缺乏阻抗匹配，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)被過度反射回信號(hào)源，而不是向前傳輸。

耦合

當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體靠得很近時(shí)，就會(huì)發(fā)生耦合。顯然，這會(huì)對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生負(fù)面影響；因此，間距是 PCB layout 設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。

寄生電容

寄生電容是電路板上不良耦合的主要來源之一。雖然這種虛擬的無功器件無法完全消除，但可以將其影響降至最低。

諧波失真

諧波失真是信號(hào)完整性問題的常見來源。頻率偏移是影響發(fā)射機(jī)/接收機(jī)性能的因素之一。

共模噪聲

對(duì)于帶有電源和/或轉(zhuǎn)換電路的電路板，共模噪聲可能會(huì)造成問題。共模噪聲通常是由于終端之間存在雜散電容造成的。

表面漏電起痕

對(duì)于高電壓和/或高電流 PCBA，表面漏電起痕可能會(huì)造成問題，即通過不良絕緣層產(chǎn)生電流路徑。漏電起痕可能會(huì)造成危險(xiǎn)，導(dǎo)致器件燒毀甚至起火。

上述所列的內(nèi)容并非詳盡無遺，但從中我們可以發(fā)現(xiàn)，高頻 PCB 設(shè)計(jì)必須小心謹(jǐn)慎。

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為高頻電路板設(shè)計(jì)

最佳的 PCB layout

回顧上文所列的注意事項(xiàng)可以得出結(jié)論，要?jiǎng)?chuàng)建最佳的高頻 PCB layout，就必須在設(shè)計(jì)過程的幾乎所有方面做出正確的決定。其中包括器件放置、間距和間隙、布線、堆疊、接地和材料選擇。為此，可以采用以下簡(jiǎn)單的三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

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采用并遵循良好的高頻 PCB 設(shè)計(jì)指南

重要的是要制定設(shè)計(jì)計(jì)劃，該計(jì)劃應(yīng)包含經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)原則，包括解決性能、運(yùn)行、可制造性和可靠性問題的具體措施，如下所示：

材料選擇

確保介電常數(shù)在高頻運(yùn)行下保持穩(wěn)定

使用較薄的銅皮

采用阻焊層，以盡量減少耗散因子

器件擺放

根據(jù)信號(hào)類型對(duì)器件進(jìn)行分組

隔離天線等輻射源

間距和間隙

差分走線之間保持相等的間距

遵循爬電和間隙標(biāo)準(zhǔn)

這些應(yīng)用中使用的布線

在不同層上對(duì)不同的信號(hào)類型進(jìn)行布線

盡量縮短走線長(zhǎng)度

盡量增加不同走線之間的間距

堆疊

如果可能的話，盡量采用對(duì)稱的堆疊

接地

針對(duì)不同類型的信號(hào)采用單獨(dú)的接地

避免將接地層與信號(hào)分開

濾波

對(duì)于快速開關(guān)型電路板，良好的濾波對(duì)減少 EMI 至關(guān)重要

屏蔽

使用屏蔽保護(hù)高輻射器件

在設(shè)計(jì)時(shí)遵循上述指南和其他設(shè)計(jì)規(guī)則，有助于確保電路板實(shí)現(xiàn)性能和運(yùn)行目標(biāo)。不過，所有設(shè)計(jì)要求都應(yīng)在合同制造商的能力范圍內(nèi)，以確保可制造性設(shè)計(jì)。

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設(shè)置并管理約束條件

制定必要的設(shè)計(jì)規(guī)則和準(zhǔn)則時(shí)需要設(shè)置一個(gè)約束管理器，如下所示：

Allegro X PCB Designer 工具中的約束管理器

大多數(shù)優(yōu)秀的 PCB 設(shè)計(jì)軟件都提供類似上面的選項(xiàng)，用于設(shè)置電氣、物理和制造方面的考慮事項(xiàng)。挑戰(zhàn)在于將它們整理好，確保最關(guān)鍵的事項(xiàng)得到優(yōu)先考慮。借助 Cadence Allegro X PCB Designer這樣的高級(jí)設(shè)計(jì)平臺(tái)，只需選擇 High-speed Option 即可。

Allegro X PCB Designer 工具選項(xiàng)

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驗(yàn)證設(shè)計(jì)

高速 PCB 設(shè)計(jì)的最后一步是驗(yàn)證設(shè)計(jì)，確保糾正了所有違反設(shè)計(jì)規(guī)則的錯(cuò)誤，并且所有選擇都在合同制造商的 DFM（可制造性設(shè)計(jì)）能力范圍內(nèi)。我們還建議利用仿真來測(cè)試電路板的電源分配網(wǎng)絡(luò)、熱曲線和信號(hào)流，Allegro X PCB Designer 即可提供該功能。

Allegro X PCB Designer 集成在 Allegro X Design Platform 中， Allegro X Design Platform 是一個(gè)強(qiáng)大且統(tǒng)一的系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案，為協(xié)作式的團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境提供支持，滿足前沿、現(xiàn)代的電子設(shè)計(jì)需求。無論是錯(cuò)綜復(fù)雜、技術(shù)要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，還是普通的電路要求，該平臺(tái)都可以輕松應(yīng)對(duì)。它提供了一個(gè)集成的生態(tài)系統(tǒng)，包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB layout 和設(shè)計(jì)同步分析（In-Design Analysis，IDA），由集中管理的可視化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提供支持，有效避免了不必要的設(shè)計(jì)沖突和錯(cuò)誤。并具有各種廣泛的自動(dòng)化功能、無縫的 ECAD-MCAD 協(xié)作、實(shí)時(shí)仿真和分析、可制造性設(shè)計(jì)（DFM）檢查，以及高級(jí)布線、高密和射頻（RF）功能，確保設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)交付合規(guī)、高性能、高可靠且可制造的多板系統(tǒng)。