福建開發(fā)線路板印制隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對(duì)于信號(hào)完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，開發(fā)線路板印制穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動(dòng)往往會(huì)給系統(tǒng)帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國際市場上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。二、電源噪聲的起因及分析對(duì)于電源噪聲的起因我們通過一個(gè)與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個(gè)三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時(shí)回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動(dòng)。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時(shí)，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時(shí)流入地線。此時(shí)由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動(dòng)，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時(shí)，此時(shí)電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時(shí)只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對(duì)于上升沿來說要小。從對(duì)與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大;

高速數(shù)字PCB板的等線長是為了使各信號(hào)的延遲差保持在一個(gè)范圍內(nèi),保證系統(tǒng)在同一周期內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)的有效性(延遲差超過一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)會(huì)錯(cuò)讀下一周期的數(shù)據(jù)),一般要求延遲差不超過1/4時(shí)鐘周期,單位長度的線延遲差也是固定的,延遲跟線寬,線長,銅厚,板層結(jié)構(gòu)有關(guān),但線過長會(huì)增大分布電容和分布電感,使信號(hào)質(zhì)量,所以時(shí)鐘IC引腳一般都接RC端接,但蛇形走線并非起電感的作用,相反的,電感會(huì)使信號(hào)中的上升元中的高次諧波相移,造成信號(hào)質(zhì)量惡化,所以要求蛇形線間距最少是線寬的兩倍,信號(hào)的上升時(shí)間越小就越易受分布電容和分布電感的影響.因?yàn)閼?yīng)用場合不同具不同的作用,如果蛇形走線在電腦板中出現(xiàn)，其主要起到一個(gè)濾波電感的作用，提高電路的抗干擾能力，電腦主機(jī)板中的蛇形走線，主要用在一些時(shí)鐘信號(hào)中，如CIClk,AGPClk，它的作用有兩點(diǎn)：1、阻抗匹配 2、濾波電感。對(duì)一些重要信號(hào)，如INTEL HUB架構(gòu)中的HUBLink,一共13根，跑233MHz，要求必須嚴(yán)格等長，以消除時(shí)滯造成的隱患，繞線是解決辦法。一般來講，蛇形走線的線距>=2倍的線寬。PCI板上的蛇行線就是為了適應(yīng)PCI 33MHzClock的線長要求。若在一般普通PCB板中，是一個(gè)分布參數(shù)的 LC濾波器，還可作為收音機(jī)天線的電感線圈，短而窄的蛇形走線可做保險(xiǎn)絲等等.

一個(gè)高明的CAD工程師需要做的是：如何綜合考慮各方意見，達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。以下為EDADOC專家根據(jù)個(gè)人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的多年經(jīng)驗(yàn)，所總結(jié)出來的層疊設(shè)計(jì)參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計(jì)基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點(diǎn)對(duì)本板的布線瓶徑處進(jìn)行分析，再結(jié)合EDA軟件關(guān)于布線密度(PIN/RAT)的報(bào)告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號(hào)線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、種類確定布線層數(shù);再根據(jù)單板的電源、地的種類、分布、有特殊布線需求的信號(hào)層數(shù)，綜合單板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定單板的電源、地的層數(shù)以及它們與信號(hào)層的相對(duì)排布位置。單板層的排布一般原則：A)與元件面相鄰的層為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供回流平面;B)所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號(hào)層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對(duì)應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;

在基于信號(hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的PCB設(shè)計(jì)方法中，最為核心的部分就是PCB板級(jí)信號(hào)完整性模型的建立，這是與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的區(qū)別之處。SI模型的正確性將決定設(shè)計(jì)的正確性，而SI模型的可建立性則決定了這種設(shè)計(jì)方法的可行性。目前構(gòu)成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成‘黑盒子’，測量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級(jí)模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是建模和使用簡單方便，節(jié)約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級(jí)模型是一個(gè)選擇。缺點(diǎn)是精度較差，一致性不能保證，受測試技術(shù)和精度的影響。另一種是以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE 模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級(jí)別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長。一般驅(qū)動(dòng)器和接收器的模型由器件廠商提供，傳輸線的模型通常從場分析器中提取，封裝和連接器的模型即可以由場分析器提取，又可以由制造廠商提供。在電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)有多種可以用于PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析的模型，其中最為常用的有三種，分別是SPICE、IBIS和Verilog-AMS、VHDL-AMS。

1. 如果是人工焊接，要養(yǎng)成好的習(xí)慣，首先，焊接前要目視檢查一遍PCB板，并用萬用表檢查關(guān)鍵電路(特別是電源與地)是否短路;其次，每次焊接完一個(gè)芯片就用萬用表測一下電源和地是否短路;此外，焊接時(shí)不要亂甩烙鐵，如果把焊錫甩到芯片的焊腳上(特別是表貼元件)，就不容易查到。2. 在計(jì)算機(jī)上打開PCB圖，點(diǎn)亮短路的網(wǎng)絡(luò)，看什么地方離的最近，最容易被連到一塊。特別要注意IC內(nèi)部短路。3. 發(fā)現(xiàn)有短路現(xiàn)象。拿一塊板來割線(特別適合單/雙層板),割線后將每部分功能塊分別通電,一部分一部分排除。4. 使用短路定位分析儀，如：新加坡PROTEQ CB2000短路追蹤儀，香港靈智科技QT50短路追蹤儀，英國POLAR ToneOhm950多層板路短路探測儀等等。5. 如果有BGA芯片，由于所有焊點(diǎn)被芯片覆蓋看不見，而且又是多層板(4層以上)，因此最好在設(shè)計(jì)時(shí)將每個(gè)芯片的電源分割開，用磁珠或0歐電阻連接，這樣出現(xiàn)電源與地短路時(shí)，斷開磁珠檢測，很容易定位到某一芯片。由于BGA的焊接難度大，如果不是機(jī)器自動(dòng)焊接，稍不注意就會(huì)把相鄰的電源與地兩個(gè)焊球短路。

1.寄生電容過孔本身存在著對(duì)地或電源的寄生電容，如果已知過孔在內(nèi)層上的隔離孔直徑為D2;過孔焊盤的直徑為D1;PCB的厚度為T;板基材的相對(duì)介電常數(shù)為ε;過孔的寄生電容延Κ了電路中信號(hào)的上升時(shí)問，降低了電路的速度。如果一塊厚度為25mil的PCB，使用內(nèi)徑為10mil，焊盤直徑為20mil的過孔，內(nèi)層電氣間隙寬度為32mil時(shí)，可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致為0.259 pF。如果走線的特性阻抗為30Ω,則該寄生電容引起的信號(hào)上升時(shí)間延長量。系數(shù)1/2是因?yàn)檫^孔在走線的中途。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升沿變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換，設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。2.寄生電感過孔還具有與其高度和直徑直接相關(guān)的串聯(lián)寄生電感。若九是過孔的高度;d是中心鉆孔的直徑;則過孔的寄生電感L近似為在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，寄生電感帶來的危害超過寄生電容的影響。過孔的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容在電源或地平面濾除噪聲的作用，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用c因此旁路和去耦電容的過孔應(yīng)該盡可能短，以使其電感值最小。通過上面對(duì)過孔寄生特性的分析，為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到：· 盡量減少過孔，尤其是時(shí)鐘信號(hào)走線;· 使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù);· 過孔阻抗應(yīng)該盡可能與其連接的走線的阻抗相匹配，以便減小信號(hào)的反射;