高频高密度PCB布局设计注意事项

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现在的器件都是正朝着高速,低功耗,小体积和高抗干扰的方向发展。 PCB设计是电子产品设计的重要阶段。它可以实现电子元件之间的连接和功能,也是电源电路设计的重要组成部分。高频电路具有更高的集成度和更高的布局密度,因此对于高速高密度主板如何使布局更合理,更科学至关重要。

高速PCB布局设计注意事项

设计电气原理图时,应根据结构要求和功能划分采用多个功能模块板,并确定各功能板PCB的物理尺寸和安装方法。还应考虑调试和维护的便利性、屏蔽、散热和EMI性能。 

规划布局布线时,需要确定布局布线方案,比如关键电路,信号线,布线方法的细节以及要遵循的布线原则等。 通过检查、分析和修改PCB设计过程的几个步骤。并对整个布局过程完成后进行综合规则检查没问题,才能进一步设计。

关于多层PCB布局设计:

高频电路通常都是高度集成并具有高密度布线设计。于是使用多层板主要是减少干扰的必要和有效手段。 在PCB布局阶段,需要合理的规划板子的尺寸和层数,这样可以充分利用中间层来进行设计,这样不仅可以进行接地处理、有效降低寄生电感、缩短信号传输长度,还可以大大减少信号等的交叉干扰等好处,以上这些方法都有利于高频电路的可靠性设计。即使采用相同板料,四层板的噪声比双面板低20dB。然而,同时也存在一个问题,即PCB板层越多,制造工艺越复杂,成本就会越高,这就要求在PCB布局中,除了选择合适的PCB层数外,还应进行合理的元件布局规划,并采用适当的布线规则来完成设计。以下八点内容都是围绕多层PCB布局设计方面来阐述的:

多层PCB布局设计

1、 高频电路层之间管脚的交叉引线越少越好。

这意味着连接中使用的Via越少越好。原因是Via可以带来约0.5pF的分布电容,而减少Via的数量即可提高响应速度并降低数据错误的可能性。

2、高频电路管脚之间的引线越短越好。

信号的辐射强度与信号线的布线长度是成正比的。高频信号布线越长,它就越容易耦合到其器件。因此,对于信号时钟,晶体振荡器,DDR数据,LVDS,USB和HDMI等高频信号线,走线长度越短越好,有空间的话要进行包地处理。

3、 高频电子设备中管脚之间的布线弯曲越小越好。

高频电线引线最好使用全直线。如果需要弯曲,可以使用45度走线或圆弧走线。该要求仅用于提高低频电路中铜箔的结合强度,而在高频电路中,满足该要求可以减少高频信号之间的反射和耦合干扰。

4、注意信号线平行布线而近距离引入的“串扰”。

对于高频电路布线,应注意由近距离平行的信号线引入的“串扰”。串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象。由于高频信号以电磁波的形式沿传输线传输,信号线将充当天线,并且电磁场的能量将在传输线周围进行发射而形式的。由于电磁场的耦合,信号之间的不需要的噪声信号被称为串扰。PCB板层的参数,信号线的间距,发送和接收端子的电气特性以及信号线连接方式都对串扰有一定的影响。因此,

(1)  如果两条线之间存在严重的串扰,在布线空间允许的情况下,可以在两条线之间插入地线或地平面,这样可以起到隔离的作用并减少串扰。

(2)  当信号线周围的空间本身具有可变电磁场时,如果不能避免平行分布,可以在并行信号线的另一侧设置大面积的“接地”,这样可以大大减少干扰。

(3)  在充足布线空间的前提下,可以增加相邻信号线之间的空间,减小信号线的平行长度。时钟线应垂直于键信号线而不是平行线。

(4)  如果同一层中的平行线几乎是不可避免的,则它们必须在相邻层中彼此垂直。

(5)  在数字电路中,通常的时钟信号是边沿变化快速信号,外部串扰很大。因此,在设计中,建议时钟线做包地处理并为地线腾出更多空间,以减小分布电容,从而减少串扰。

(6)  高频信号时钟应尽可能使用低压差分时钟信号,并注意穿孔的完整性。

(7)  空脚不要悬空,而是接地或连接到电源,因为悬挂线可能等同于发射天线,而接地可以抑制传输等。

5、高频数字信号地线和模拟信号地线要隔离。

模拟地线,数字地线等连接到公共地线时要使用高频扼流磁珠连接或直接隔离并选择合适的单点连接。地线接地电位的高频数字信号不一致,两者都直接存在电压差,而高频数字信号地线往往包含很丰富,直接连接数字时高频信号接地的谐波分量信号和模拟信号接地后,高频信号谐波将通过地的方式耦合到模拟信号的干扰。因此,一般情况下,应隔离高频数字信号的地线和模拟信号的地线,以免数字地和模拟地之间的串扰。

6、增加IC模块电源引脚的高频去耦电容。

每个IC模块的电源引脚在附近添加高频去耦电容。增加IC模块电源引脚的高频去耦电容,可有效抑制高频谐波对电源引脚的干扰。

7、布线时要避免环路。

布线时,各种高频信号不应形成环路。如果不可避免,则环路面积应尽可能小。

8、关键信号要保证阻抗匹配要求。

在传输过程中,当阻抗不匹配时,信号将在传输通道中反射,将使合成信号过冲,导致信号在逻辑阈值附近波动。消除反射的基本方法是使传输信号的阻抗很好地匹配。由于负载阻抗与传输线的特征阻抗之间的差异较大,反射较大,因此信号传输线的特征阻抗应尽可能地等于负载和阻抗。同时,还要注意PCB上的传输线不能突然出现变化或者拐角,并尽可能保持传输线各点之间的阻抗连续,否则将在传输线的每个段之间发生反射。这需要在进行高速PCB布线时遵循以下布线规则:

(1)LVDS布线规则。LVDS信号需要进行差分布线,线宽为7mil,线距为6mil。

(2)USB接线规则。差分布线需要USB信号,线宽10mil,线距6mil,地线和信号线间距6mil;

(3)HDMI接线规则。需要HDMI信号差分布线,线宽10mil,线间距6mil,两组HDM1差分信号之间的每个间距超过20mil。

(4)DDR接线规则。DDR布线要求信号尽可能不要打过孔。信号线宽度相等,线和线等距。布线必须符合3W原则,以减少信号之间的串扰。

减少信号之间的串扰

除了上述设计方法外,高频信号在走线时容易产生大的电磁辐射,工程师在PCB布线时应尽量避免高速信号分支或树桩式走线。如果高频信号线连接在电源和地线之间,则通过电源和底层吸收电磁波产生的辐射将大大减少。总之,高频电路通常具有高度集成和高布线密度。多层板的使用是减少干扰的必要和有效手段。在PCB Layout阶段,合理选择某层印刷电路板的尺寸,中间层可以充分用于设置屏蔽,更好地实现接近地平面。

文章转载自:志博PCB

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