PCB設(shè)計(jì)問(wèn)答集

21、電路板 DEBUG 應(yīng)從那幾個(gè)方面著手？

就數(shù)字電路而言，首先先依序確定三件事情： 1. 確認(rèn)所有電源值的大小均達(dá)到設(shè)計(jì)所需。有些多重電源的系統(tǒng)可能會(huì)要求某些電源之間起來(lái)的順序與快慢有某種規(guī)范。 2. 確認(rèn)所有時(shí)鐘信號(hào)頻率都工作正常且信號(hào)邊緣上沒(méi)有非單調(diào)(non-monotonic)的問(wèn)題。3. 確認(rèn) reset 信號(hào)是否達(dá)到規(guī)范要求。 這些都正常的話，芯片應(yīng)該要發(fā)出第一個(gè)周期(cycle)的信號(hào)。接下來(lái)依照系統(tǒng)運(yùn)作原理與 bus protocol 來(lái) debug。
22、在電路板尺寸固定的情況下，如果設(shè)計(jì)中需要容納更多的功能，就往往需要提高 PCB 的走線密度，但是這樣有可能導(dǎo)致走線的相互干擾增強(qiáng)，同時(shí)走線過(guò)細(xì)也使阻抗無(wú)法降低，請(qǐng)專家介紹在高速（>100MHz）高密度 PCB 設(shè)計(jì)中的技巧?
在設(shè)計(jì)高速高密度 PCB 時(shí)，串?dāng)_(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的，因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)序(timing)與信號(hào)完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方：
控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。
走線間距的大小。一般?？吹降拈g距為兩倍線寬。可以透過(guò)仿真來(lái)知道走線間距對(duì)時(shí)序及信號(hào)完整性的影響，找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。
選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞健?br />避免上下相鄰兩層的走線方向相同，甚至有走線正好上下重疊在一起，因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。
利用盲埋孔(blind/buried via)來(lái)增加走線面積。但是 PCB 板的制作成本會(huì)增加。 在實(shí)際執(zhí)行時(shí)確實(shí)很難達(dá)到完全平行與等長(zhǎng)，不過(guò)還是要盡量做到。
除此以外，可以預(yù)留差分端接和共模端接，以緩和對(duì)時(shí)序與信號(hào)完整性的影響。
23、模擬電源處的濾波經(jīng)常是用 LC 電路。但是為什么有時(shí) LC 比 RC 濾波效果差？
LC 與 RC 濾波效果的比較必須考慮所要濾掉的頻帶與電感值的選擇是否恰當(dāng)。 因?yàn)殡姼械母锌?reactance)大小與電感值和頻率有關(guān)。如果電源的噪聲頻率較低，而電感值又不夠大，這時(shí)濾波效果可能不如 RC。但是，使用 RC 濾波要付出的代價(jià)是電阻本身會(huì)耗能，效率較差，且要注意所選電阻能承受的功率。
24、濾波時(shí)選用電感，電容值的方法是什么？
電感值的選用除了考慮所想濾掉的噪聲頻率外，還要考慮瞬時(shí)電流的反應(yīng)能力。如 果 LC 的輸出端會(huì)有機(jī)會(huì)需要瞬間輸出大電流，則電感值太大會(huì)阻礙此大電流流經(jīng)此電感的速度，增加紋波噪聲(ripple noise)。電容值則和所能容忍的紋波噪聲規(guī)范值的大小有關(guān)。紋波噪聲值要求越小，電容值會(huì)較大。而電容的ESR/ESL 也會(huì)有影響。 另外，如果這 LC 是放在開(kāi)關(guān)式電源(switching regulation power)的輸出端時(shí)，還要注意此 LC 所產(chǎn)生的極點(diǎn)零點(diǎn)(pole/zero)對(duì)負(fù)反饋控制(negative feedback control)回路穩(wěn)定度的影響。
25、如何盡可能的達(dá)到 EMC 要求，又不致造成太大的成本壓力？
PCB 板上會(huì)因 EMC 而增加的成本通常是因增加地層數(shù)目以增強(qiáng)屏蔽效應(yīng)及增加了 ferrite bead、choke等抑制高頻諧波器件的緣故。除此之外，通常還是需搭配其它機(jī)構(gòu)上的屏蔽結(jié)構(gòu)才能使整個(gè)系統(tǒng)通過(guò) EMC的要求。以下僅就 PCB 板的設(shè)計(jì)技巧提供幾個(gè)降低電路產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)。
盡可能選用信號(hào)斜率(slew rate)較慢的器件，以降低信號(hào)所產(chǎn)生的高頻成分。
注意高頻器件擺放的位置，不要太靠近對(duì)外的連接器。
注意高速信號(hào)的阻抗匹配，走線層及其回流電流路徑(return current path)， 以減少高頻的反射與輻射。
在各器件的電源管腳放置足夠與適當(dāng)?shù)娜ヱ詈想娙菀跃徍碗娫磳雍偷貙由系脑肼暋Ｌ貏e注意電容的頻率響應(yīng)與溫度的特性是否符合設(shè)計(jì)所需。
對(duì)外的連接器附近的地可與地層做適當(dāng)分割，并將連接器的地就近接到 chassis ground。
可適當(dāng)運(yùn)用 ground guard/shunt traces 在一些特別高速的信號(hào)旁。但要注意 guard/shunt traces 對(duì)走線特性阻抗的影響。
電源層比地層內(nèi)縮 20H，H 為電源層與地層之間的距離。
26、當(dāng)一塊 PCB 板中有多個(gè)數(shù)/模功能塊時(shí)，常規(guī)做法是要將數(shù)/模地分開(kāi)，原因何在？
將數(shù)/模地分開(kāi)的原因是因?yàn)閿?shù)字電路在高低電位切換時(shí)會(huì)在電源和地產(chǎn)生噪聲，噪聲的大小跟信號(hào)的速度及電流大小有關(guān)。如果地平面上不分割且由數(shù)字區(qū)域電路所產(chǎn)生的噪聲較大而模擬區(qū)域的電路又非常接近，則即使數(shù)模信號(hào)不交叉， 模擬的信號(hào)依然會(huì)被地噪聲干擾。也就是說(shuō)數(shù)模地不分割的方式只能在模擬電路區(qū)域距產(chǎn)生大噪聲的數(shù)字電路區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)使用。
27、另一種作法是在確保數(shù)/模分開(kāi)布局，且數(shù)/模信號(hào)走線相互不交叉的情況下，整個(gè) PCB板地不做分割，數(shù)/模地都連到這個(gè)地平面上。道理何在？
數(shù)模信號(hào)走線不能交叉的要求是因?yàn)樗俣壬钥斓臄?shù)字信號(hào)其返回電流路徑(return current path)會(huì)盡量沿著走線的下方附近的地流回?cái)?shù)字信號(hào)的源頭，若數(shù)模信號(hào)走線交叉，則返回電流所產(chǎn)生的噪聲便會(huì)出現(xiàn)在模擬電路區(qū)域內(nèi)。
28、在高速 PCB 設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，如何考慮阻抗匹配問(wèn)題？
在設(shè)計(jì)高速 PCB 電路時(shí)，阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對(duì)的關(guān)系， 例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline)，與參考層(電源層或地層)的距離，走線寬度，PCB材質(zhì)等均會(huì)影響走線的特性阻抗值。也就是說(shuō)要在布線后才能確定阻抗值。一般仿真軟件會(huì)因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無(wú)法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接)，如串聯(lián)電阻等，來(lái)緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問(wèn)題的方法還是布線時(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。
29、哪里能提供比較準(zhǔn)確的 IBIS 模型庫(kù)？
IBIS 模型的準(zhǔn)確性直接影響到仿真的結(jié)果?；旧?IBIS 可看成是實(shí)際芯片 I/O buffer 等效電路的電氣特性數(shù)據(jù)，一般可由 SPICE 模型轉(zhuǎn)換而得 (亦可采用測(cè)量， 但限制較多)，而 SPICE 的數(shù)據(jù)與芯片制造有絕對(duì)的關(guān)系，所以同樣一個(gè)器件不同芯片廠商提供，其 SPICE 的數(shù)據(jù)是不同的，進(jìn)而轉(zhuǎn)換后的 IBIS 模型內(nèi)之?dāng)?shù)據(jù)也會(huì)隨之而異。也就是說(shuō)，如果用了 A 廠商的器件，只有他們有能力提供他們器件準(zhǔn)確模型數(shù)據(jù)，因?yàn)闆](méi)有其它人會(huì)比他們更清楚他們的器件是由何種工藝做出來(lái)的。如果廠商所提供的 IBIS 不準(zhǔn)確，只能不斷要求該廠商改進(jìn)才是根本解決之道。
30、在高速 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該從那些方面去考慮 EMC、EMI 的規(guī)則呢？
一般 EMI/EMC 設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個(gè)方面. 前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(30MHz). 所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分.一個(gè)好的EMI/EMC 設(shè)計(jì)必須一開(kāi)始布局時(shí)就要考慮到器件的位置, PCB 疊層的安排, 重要聯(lián)機(jī)的走法, 器件的選擇等, 如果這些沒(méi)有事前有較佳的安排, 事后解決則會(huì)事倍功半, 增加成本. 例如時(shí)鐘產(chǎn)生器的位置盡量不要靠近對(duì)外的連接器, 高速信號(hào)盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射, 器件所推的信號(hào)之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分, 選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時(shí)注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲. 另外, 注意高頻信號(hào)電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance 盡量小)以減少輻射. 還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍. 最后, 適當(dāng)?shù)倪x擇PCB 與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。