PCB设计中的问题整理

1、如何尽可能的达到 EMC 要求,又不致造成太大的成本压力?
PCB 板上会因 EMC 而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了 ferrite bead、choke等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外,通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过 EMC的要求。以下仅就 PCB 板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应。
尽可能选用信号斜率(slew rate)较慢的器件,以降低信号所产生的高频成分。
注意高频器件摆放的位置,不要太靠近对外的连接器。
注意高速信号的阻抗匹配,走线层及其回流电流路径(return current path), 以减少高频的反射与辐射。
在各器件的电源管脚放置足够与适当的去耦合电容以缓和电源层和地层上的噪声。特别注意电容的频率响应与温度的特性是否符合设计所需。
对外的连接器附近的地可与地层做适当分割,并将连接器的地就近接到 chassis ground。
可适当运用 ground guard/shunt traces 在一些特别高速的信号旁。但要注意 guard/shunt traces 对走线特性阻抗的影响。
电源层比地层内缩 20H,H 为电源层与地层之间的距离。

2、当一块 PCB 板中有多个数/模功能块时,常规做法是要将数/模地分开,原因何在?
将数/模地分开的原因是因为数字电路在高低电位切换时会在电源和地产生噪声,噪声的大小跟信号的速度及电流大小有关。如果地平面上不分割且由数字区域电路所产生的噪声较大而模拟区域的电路又非常接近,则即使数模信号不交叉,模拟的信号依然会被地噪声干扰。也就是说数模地不分割的方式只能在模拟电路区域距产生大噪声的数字电路区域较远时使用。

3、另一种作法是在确保数/模分开布局,且数/模信号走线相互不交叉的情况下,整个 PCB板地不做分割,数/模地都连到这个地平面上。道理何在?
数模信号走线不能交叉的要求是因为速度稍快的数字信号其返回电流路径(return current path)会尽量沿着走线的下方附近的地流回数字信号的源头,若数模信号走线交叉,则返回电流所产生的噪声便会出现在模拟电路区域内。

4、在高速 PCB 设计原理图设计时,如何考虑阻抗匹配问题?
在设计高速 PCB 电路时,阻抗匹配是设计的要素之一。而阻抗值跟走线方式有绝对的关系,例如是走在表面层(microstrip)或内层(stripline/double stripline),与参考层(电源层或地层)的距离,走线宽度,PCB材质等均会影响走线的特性阻抗值。也就是说要在布线后才能确定阻抗值。一般仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的**而无法考虑到一些阻抗不连续的布线情况,这时候在原理图上只能预留一些terminators(端接),如串联电阻等,来缓和走线阻抗不连续的效应。真正根本解决问题的方法还是布线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。

5、哪里能提供比较准确的 IBIS 模型库?
IBIS 模型的准确性直接影响到仿真的结果。基本上 IBIS 可看成是实际芯片 I/O buffer 等效电路的电气特性数据,一般可由 SPICE 模型转换而得 (亦可采用测量, 但**较多),而 SPICE 的数据与芯片制造有绝对的关系,所以同样一个器件不同芯片厂商提供,其 SPICE 的数据是不同的,进而转换后的 IBIS 模型内之数据也会随之而异。也就是说,如果用了 A 厂商的器件,只有他们有能力提供他们器件准确模型数据,因为没有其它人会比他们更清楚他们的器件是由何种工艺做出来的。如果厂商所提供的 IBIS 不准确,只能不断要求该厂商改进才是根本解决之道。

6、在高速 PCB 设计时,设计者应该从那些方面去考虑 EMC、EMI 的规则呢?
一般 EMI/EMC 设计时需要同时考虑辐射(radiated)与传导(conducted)两个方面. 前者归属于频率较高的部分(>30MHz)后者则是较低频的部分(<30MHz). 所以不能只注意高频而忽略低频的部分.一个好的EMI/EMC 设计必须一开始布局时就要考虑到器件的位置, PCB 叠层的安排, 重要联机的走法, 器件的选择等, 如果这些没有事前有较佳的安排, 事后解决则会事倍功半, 增加成本. 例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器, 高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射, 器件所推的信号之斜率(slew rate)尽量小以减低高频成分, 选择去耦合(decoupling/bypass)电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声. 另外, 注意高频信号电流之回流路径使其回路面积尽量小(也就是回路阻抗loop impedance 尽量小)以减少辐射. 还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围. 最后, 适当的选择PCB 与外壳的接地点(chassis ground)。

7、如何选择 EDA 工具?
目前的 pcb 设计软件中,热分析都不是强项,所以并不建议选用,其它的功能 1.3.4 可以选择 PADS或 Cadence 性能价格比都不错。 PLD 的设计的初学者可以采用 PLD 芯片厂家提供的集成环境,在做到百万门以上的设计时可以选用单点工具。

8、请推荐一种适合于高速信号处理和传输的 EDA 软件。
常规的电路设计,INNOVEDA 的 PADS 就非常不错,且有配合用的仿真软件,而这类设计往往占据了 70%的应用场合。在做高速电路设计,模拟和数字混合电路,采用 Cadence 的解决方案应该属于性能价格比较好的软件,当然 Mentor 的性能还是非常不错的,特别是它的设计流程管理方面应该是最为优秀的。(大唐电信技术专家 王升)

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