福建開發(fā)線路板印制隨著PCB設(shè)計復(fù)雜度的逐步提高，對于信號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)計者們重點研究的方向之一。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候，電源的波動往往會給系統(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)計比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計還是一個薄弱的環(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)驗設(shè)計，具有較強(qiáng)的理論分析與實際工程應(yīng)用價值。二、電源噪聲的起因及分析對于電源噪聲的起因我們通過一個與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因為與非門屬于數(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，同時回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時流入地線。此時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，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，此時電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時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于上升沿來說要小。從對與非門的電路進(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的延遲差保持在一個范圍內(nèi),保證系統(tǒng)在同一周期內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)的有效性(延遲差超過一個時鐘周期時會錯讀下一周期的數(shù)據(jù)),一般要求延遲差不超過1/4時鐘周期,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),但線過長會增大分布電容和分布電感,使信號質(zhì)量,所以時鐘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,電感會使信號中的上升元中的高次諧波相移,造成信號質(zhì)量惡化,所以要求蛇形線間距最少是線寬的兩倍,信號的上升時間越小就越易受分布電容和分布電感的影響.因為應(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，主要用在一些時鐘信號中，如CIClk,AGPClk，它的作用有兩點：1、阻抗匹配 2、濾波電感。對一些重要信號，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絲等等.

一個高明的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。以下為EDADOC專家根據(jù)個人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計的多年經(jīng)驗，所總結(jié)出來的層疊設(shè)計參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點對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)的報告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號數(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)以及它們與信號層的相對排布位置。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)所有信號層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號層直接相鄰;

在基于信號完整性計算機(jī)分析的PCB設(shè)計方法中，最為核心的部分就是PCB板級信號完整性模型的建立，這是與傳統(tǒng)的設(shè)計方法的區(qū)別之處。SI模型的正確性將決定設(shè)計的正確性，而SI模型的可建立性則決定了這種設(shè)計方法的可行性。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，稱為行為級模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數(shù)。其優(yōu)點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模型是一個選擇。缺點是精度較差，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別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點是模型復(fù)雜，計算時間長。一般驅(qū)動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)計中已經(jīng)有多種可以用于PCB板級信號完整性分析的模型，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，每次焊接完一個芯片就用萬用表測一下電源和地是否短路;此外，焊接時不要亂甩烙鐵，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. 在計算機(jī)上打開PCB圖，點亮短路的網(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)計時將每個芯片的電源分割開，用磁珠或0歐電阻連接，這樣出現(xiàn)電源與地短路時，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)器自動焊接，稍不注意就會把相鄰的電源與地兩個焊球短路。

1.寄生電容過孔本身存在著對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;板基材的相對介電常數(shù)為ε;過孔的寄生電容延Κ了電路中信號的上升時問，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，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上升時間延長量。系數(shù)1/2是因為過孔在走線的中途。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個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)電感會削弱旁路電容在電源或地平面濾除噪聲的作用，減弱整個電源系統(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)計時應(yīng)盡量做到：· 盡量減少過孔，尤其是時鐘信號走線;· 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，以便減小信號的反射;