信號完整性在PCB可靠性設計中的應用

思源電氣股份有限公司 董 磊

信號完整性在PCB可靠性設計中的應用

思源電氣股份有限公司 董 磊

如今,PCB搭載的不同種類電路模塊越來越多,板上信號種類也趨于復雜,同時,隨著PCB信號工作頻率的提高,信號完整性的控制愈發苛刻.這一切都促使我們使用系統的分析方法,在設計前期進行器件布局及信號布線規則原理的把控,這樣便可在設計過程中滿足信號完整性要求、提高電子產品可靠性.

信號完整性;電磁波;返回路徑;阻抗

可靠性是一個成功產品的基本保證,在現如今電路設計中,隨著集成電路輸出開關速度的提高,信號邊沿越來越陡,以及PCB板密度增加,信號傳輸過程中的延遲、反射、串擾、時序、振蕩等問題也隨之而來,這些問題在設計過程中若不能得到有效控制,就會帶來信號完整性問題,致使系統工作不穩定,甚至完全不能正常工作.為滿足這些產品更高功能與性能的要求,滿足信號完整性的電路設計技術己經成為電子工程師必須采取的設計手段.只有這樣,才能實現設計過程的可控性,最終保證產品的可靠性.

1.PCB板級信號完整性

1.1 電信號傳輸的本質

電信號傳輸的本質是電磁波的傳輸,電磁波是一種物質,變化的電場必然會產生變化的磁場,變化的磁場必然會產生變化的電場.變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場,這就是電磁場.變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波.PCB板,本質是一種為電磁能量定向傳輸作導向的材料媒質.

1.2 傳輸線

任何物質都是波動的能量,我們通常所說的信號是把信號看作了粒子,信號頻率是宏觀指標.而電子是以波動狀態存在的,根據電子能量公式E=hv,信號上升時間長,意味著電場或磁場變化速度快,電磁場的輻射頻率低,電子只能在較低的能級波動,整體特性接近粒子.反之,信號上升時間短,電子更容易提升到更高的能級,在更大的范圍內波動,從而波動效應更明顯.所以在IPC-2141中,真實頻率是以f=0.35/Tr定義的,其中上升時間Tr越小,真實頻率越大.這就意味著同樣是100MHz的信號,方波的真實頻率比正弦波高.當導線的長度大于真實頻率對應波長的1/7時,這段導線被定義為傳輸線,其上所傳輸的信號的波動效應占主導地位.舉例說明:一段長度為100mm的線路,三種不同頻率(20MHz,波長15m;100MHz,波長3m;3GHz,波長100mm)的電信號傳輸時,電信號頻率越高,同一時刻,走線上不同位置的電壓和電流差距越大,電磁波波動傳輸的現象,需要使用麥克斯韋方程組來描述.

1.3 信號返回路徑

PCB板構建電磁波的返回路徑,就是將電磁場中的電場線以更小的環路閉合,從而引導電磁波的定向傳輸.所以返回路徑的必須伴隨著PCB板上信號路徑設計,傳輸線的信號路徑和返回路徑兩個基本要素構成了電磁波傳輸的物理環境.返回路徑不一定必須是信號地、任何可以與信號路徑構成最小回路的導體,甚至是孤立的導體,都可以作為信號的返回路徑.如果周圍沒有導體可以提供返回路徑,那么自由空間就成為返回路徑,這就帶來了EMC問題.

1.4 特性阻抗

PCB作為電磁波傳輸的介質,其特性阻抗大小是由電磁波傳輸媒質的介電常數和磁導率決定的,用于描述這種介質傳輸電磁波的固有特性,通常只與板材介電常數、板材介質厚度、線寬、銅箔厚度有關.由于特性阻抗是針對電磁波的定義,只有當信號的波動性占主導時才必須考慮,當導線上所傳輸信號的頻率較低或上升時間較長時,信號的特性偏向于電子的移動的粒子性,這時特性阻抗對信號帶來的影響微乎其微,采用經典電路理論進行分析即可.

2.基于信號完整性的PCB可靠性設計

2.1 串擾

電磁波在PCB傳輸線上傳播時,在整個空間中尋找返回路徑,其中,由于電磁耦合而將相鄰的導線作為返回路徑而產生不期望的電壓或電流噪聲干擾,就是串擾.為了減小串擾,控制走線間距、減小平行走線的長度是最直接的方法,但并不能完全消除,最常用的就是3W原則.在布線空間允許的條件下,在串擾嚴重的兩條信號線之間插入一條地線,可以減小兩條信號線間的耦合,進而減小串擾.

2.2 疊層

疊層設計時,最好是使傳輸線路徑上鄰近層的有完整的參考平面,在滿足特征阻抗的條件下,應使導線層與參考平面間的介質層盡可能薄,從而加大導線與參考平面間的耦合度,不僅是為電磁波傳輸提供優質的返回路徑,同時還能減少相鄰傳輸線的耦合串擾.由于表層只有一個參考平面,表層信號相鄰傳輸線的電場耦合比中間層的要強,因而對串擾較敏感的信號線盡量布在上下鄰近層均為平面層的內層.

2.3 過孔

當傳輸線通過過孔換層時,應優先保證參考同一個參考平面,這時過孔處的參考平面側壁作為這兩層信號縱向返回路徑.當傳輸線換層參考的不是同一個地平面層,則需要在換層過孔附近增加地回流過孔將不同的兩個地平面層連接起來提供信號的縱向回流路徑.

當信號從發送端到達過孔時,一部分信號會繼續通過過孔和導線進入到接收端,另一部分信號會沿著過孔短樁傳輸,當到最下端時,由于下端是開路高阻抗,信號會沿反方向反射回去,這部分也會一部分沿著走線傳輸,另一部分回到發送端.兩者最終會在傳輸通道上進行疊加,從而造成信號完整性問題.隨著傳輸線上電磁波信號頻率的提高,過孔短樁帶來的危害越大.為了減小短樁,導線換層設計時可使用過孔連接頂層和底層信號,在成本允許的條件下使用背鉆、盲孔或埋孔設計消除短樁.另外,過孔設計時內層未連線的孤立焊盤應去除,這些孤立焊盤也屬于短樁.同樣的情況也出現在導線中,菊花鏈拓撲就要求各分支盡量短,目的就是減小導線的短樁,從而減小信號反射.

2.4 電容

真實的電容,有寄生電阻、寄生電感,在自諧振頻率以下呈容性,這時阻抗隨著信號頻率的升高逐漸減小,在自諧振頻率點達到最低,自諧振頻率以上呈感性,隨著信號頻率的升高阻抗升高.當導線通過過孔換層時,如果換層前后參考不同網絡的平面層,在過孔附近應增加電容連接兩平面,為傳輸線導通孔處縱向提供信號返回路徑.當導線跨越參考平面分割壕溝時,跨越處也應設計連接壕溝兩側平面的電容,以填補信號的返回路徑,這種電容統稱為接縫電容.若沒有就近設計或無這種電容,將會增加信號回流面積,造成輻射和信號完整性問題.元器件的引腳、PCB焊盤、導線、過孔也有寄生RLC,高速信號的返回電流沿著電感最小路徑前進,工藝條件允許,應盡量使用小尺寸的電容,以減少寄生RLC的影響.多個電容并聯時,每一個電容引腳均需通過獨立過孔連接到大的地平面,相當于將電容引腳與地平面的寄生電感并聯,從而減輕寄生電感的影響.

AC耦合電容串接在信號中,在沒有規范要求的情況下,優先靠近接收端放置,使非理想電容帶來的阻抗突變盡量晚發生,這樣已經傳輸過一段路徑略微衰減后的信號反射帶來的影響就越小,如果是芯片與連接器連接,通常應靠近連接器放置,以提供過電壓保護.

2.5 阻抗匹配

信號只要遇到阻抗突變,在分界面出反射就會發生.通常反射可能發生在互連線拐角、過孔、T型結構、接插件等處.信號反射(包括正向和反向),過沖、下沖、振鈴等信號完整性問題均是信號反射的結果.反射產生的原因是交界面兩側的電壓和電流都必須相等,為了使整個系統協調穩定,交界面必須產生一個反射電壓平衡入射信號和傳輸信號之間不匹配的電壓和電流.阻抗匹配是指信號源、傳輸線和負載具有相同的阻抗,這時反射就不會發生,能量以最大功率傳遞到接收端而較少地損耗.

在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的情況下,PCB設計時在靠近源端的位置串聯一個電阻,相當于和發送端內部低阻抗串聯,使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達到消除源端反射的目的.在負載端阻抗高于傳輸線特征阻抗的情況下,PCB設計時靠近接收端增加并聯電阻,該電阻值必須與傳輸線的特征阻抗相近或相等,相當于和接收端內部高阻抗并聯,使負載端等效阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達到消除負載端反射的目的.當前一些芯片內建ODT電阻,從而更有效地減少信號的反射.高速PCB設計時,傳輸線阻抗具體控制值應按照芯片或同軸電纜廠商及應用場合的要求進行.大多要求阻抗控制為50歐姆,主要原因是為了使信號傳輸損耗最小,大多數芯片及同軸電纜設計制造時就是針對50歐姆阻抗的傳輸線進行的.

過孔是一個內壁鍍銅的金屬管道,本身是阻抗突變點,會導致阻抗變小.對于電源、地過孔,應使用較大內徑,以減小其寄生電感,對于信號過孔,在加工工藝允許的情況下,要使用內徑較小的過孔、較小的外徑,在布線密度允許的情況下,導通孔的隔離焊盤也可適當加大,這些做法不僅是為了提升過孔的阻抗,使阻抗變化變緩,同時,也是是為了減小過孔的寄生電容,從而將過孔的自諧振頻率點往更高頻方向推移.

2.6 模數設計

模數混合PCB板,數字信號不可以干擾到模擬信號,模擬信號布線不可以產生過多的寄生RLC.通常會要求進行地平面的分割,但不應該強行將模擬部分的地和數字部分的地完全分離,并用一個磁珠或電阻連接,因為磁珠或電阻都不可避免帶有寄生電感,在高頻電流時,會對電流產生較大的阻抗,導致數字區域和模擬區域的地平面產生微細的位準差異,影響采樣精度.對于單片ADC系統,PCB設計時數模地可在靠近ADC芯片的正下方使用銅箔直接連接在一起,形成地連接橋.多片ADC時,如果在每一個ADC芯片的下面都將模擬地和數字地用連接橋連接在一起,則模擬地和數字地之間就通過多點連接的橋形成環路電流,這種情況下,PCB設計時需將ADC芯片盡量靠近,只在ADC布局區域的下方將數字地和模擬地連接在一起.此外,需確保在所有層上沒有數字信號線位于模擬部分之上,也沒有任何模擬信號線位于數字部分之上.而且,任何信號線都不能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙,從而避免形成環路天線或偶極天線而產生EMC問題.

3.可靠性PCB設計在實際工程中的應用

3.1 電氣自動化控制系統的基本組成

常規的電氣自動化控制系統,其輸入包括數字開入量和模擬量輸入,開入量采集現場開關,刀閘等位置信息,模擬量輸入則是使用互感器,將待測的電壓和電流值調節到±5V或±10V等標準低電壓范圍信號,然后對模擬信號進行濾波、采樣保持、模數轉換產生主控制模塊所需的數字量.系統輸出主要為數字開出量,通過繼電器或光耦等隔離器件對外部相關接點進行開、閉控制或輸出到外部接點啟動另外回路.系統控制核心為主控制系統,包括嵌入式微控制器、程序運行RAM、程序、數據存儲Flash、通信接口等,按照預定程序完成各種電氣量測量、邏輯處理、計算和控制操作.

3.2 模擬量輸入系統PCB可靠性設計

互感器端,PCB設計需要確保一次端和機殼地的電氣絕緣間距、一次側和二次側輸出信號的電氣絕緣間距.模擬信號濾波最常用的是使用一階或二階RC低通濾波器,將高頻分量濾除,防止高頻分量混疊到后端信號.PCB設計需將RC器件同一面布局,不可以通過過孔連接,這主要是為了消除過孔寄生RLC對濾波指標的影響.有些ADC芯片內置采樣保持,如果外置,則要確保這部分布線盡量粗、短且少過孔.由于在電力線路測量和保護系統中,需要對多相輸配電網絡的大量電流和電壓通道進行同步采樣,因此通常需要使用多片ADC芯片進行數據采集,PCB設計時,需要將多片ADC靠近布局,地平面只能在多片ADC芯片布局區域下方形成地連接橋,且最好使用外部參考電壓源,這樣能夠消除不同內部參考電壓的差別,基準電壓產生器件需要布局在多片ADC的中間位置,確保基準電壓均通過最短路徑到達每片ADC.

3.3 開關量輸入及輸出系統PCB可靠性設計

一次側和二次測通信主要通過開入量和開出量完成,為了抑制干擾,這類信號必須通過光耦或繼電器進行電氣隔離,使用繼電器時,PCB設計需保證繼電器開關節點與控制線圈的電氣絕緣距離,為了抑制線圈信號干擾,通常線圈信號與板內二次控制信號也需要通過光耦隔離.使用光耦時,PCB設計需要保證光耦前后級信號的電氣絕緣距離.

3.4 主控制模塊PCB可靠性設計要求

嵌入式系統在電氣自動化控制系統的中應用成為了主流,各子系統間的通信可以通過485總線、CAN總線、以太網電/光信號等進行.終端電阻的目的就是為了消除在通信電纜中的信號反射,在RS-485總線和CAN總線的PCB設計中,需要2個終端電阻,PCB設計時應放置在傳輸總線的兩端,其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗,典型值為120歐姆,從而提高數據通信的抗干擾性及可靠行.以太網通信中MAC與PHY之間通信是通過各種MII總線完成的,該總線分為TX組(從MAC到PHY)和RX組(從PHY到MAC),在靠近各自的信號源端,PCB需進行串聯阻抗匹配,串聯電阻值及信號線阻抗控制值的確定應根據芯片廠商推薦處理.以太網差分對利用的是差分對信號間的耦合,當兩條差分信號線距離很近時,電流傳輸方向相反,電場相互耦合,磁場相互抵消,電磁輻射很小.不同差分線之間的間距要求間隔不能太小,至少應大于3~5倍差分線間距.必要時在不同差分線對之間加地孔隔離以防止相互問的串擾,差分線設計中最重要的規則就是匹配線長,不等長會產生相位誤差,信號頻率越高,影響越大.微控制器與RAM之間的信號通常為DDRX總線,多片RAM時,地址、控制、命令信號會使用T型拓撲或Fly-by拓撲,從DDR3開始,一些支持讀寫平衡功能的主控制器外圍RAM必須使用Fly-by拓撲結構進行設計才能滿足高速數據交換的要求.

4.結束語

在充分解析信號完整性本質的基礎上,我們分析了典型的電氣自動化控制系統的PCB可靠性設計要點,這是一個PCB可靠性設計的實際應用.要想進一步提高整機PCB的可靠性,下一步工作一方面可以利用各種仿真軟件對PCB的信號完整性和電源完整性進行仿真與分析,另一方面可以通過專業測試設備對分析結果進行驗證.

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