PCB设计技巧

中信华

    1.PCB设计中，如何避免串扰？

    变化的信号（例如阶跃信号）沿传输线由A到B传播，传输线C-D上会产生耦合信号，变化的信号一旦结束也就是信号恢复到稳定的直流电平时，耦合信号也就不存在了，因此串扰仅发生在信号跳变的过程当中，并且信号沿的变化（转换率）越快，产生的串扰也就越大。空间中耦合的电磁场可以提取为无数耦合电容和耦合电感的集合，其中由耦合电容产生的串扰信号在受害网络上可以分成前向串扰和反向串扰Sc，这个两个信号极性相同；由耦合电感产生的串扰信号也分成前向串扰和反向串扰SL，这两个信号极性相反。耦合电感电容产生的前向串扰和反向串扰同时存在，并且大小几乎相等，这样，在受害网络上的前向串扰信号由于极性相反，相互抵消，反向串扰极性相同，叠加增强。串扰分析的模式通常包括默认模式，三态模式和最坏情况模式分析。默认模式类似我们实际对串扰测试的方式，即侵害网络驱动器由翻转信号驱动，受害网络驱动器保持初始状态（高电平或低电平），然后计算串扰值。这种方式对于单向信号的串扰分析比较有效。三态模式是指侵害网络驱动器由翻转信号驱动，受害的网络的三态终端置为高阻状态，来检测串扰大小。这种方式对双向或复杂拓朴网络比较有效。最坏情况分析是指将受害网络的驱动器保持初始状态，仿真器计算所有默认侵害网络对每一个受害网络的串扰的总和。这种方式一般只对个别关键网络进行分析，因为要计算的组合太多，仿真速度比较慢。

    2.导带，即微带线的地平面的铺铜面积有规定吗？

    对于微波电路设计，地平面的面积对传输线的参数有影响。具体算法比较复杂（请参阅安杰伦的EESOFT有关资料）。而一般PCB数字电路的传输线仿真计算而言，地平面面积对传输线参数没有影响，或者说忽略影响。

    3.在EMC测试中发现时钟信号的谐波超标十分严重，只是在电源引脚上连接去耦电容。在PCB设计中需要注意哪些方面以抑止电磁辐射呢？

    EMC的三要素为辐射源，传播途径和受害体。传播途径分为空间辐射传播和电缆传导。所以要抑制谐波，首先看看它传播的途径。电源去耦是解决传导方式传播，此外，必要的匹配和屏蔽也是需要的。

    4.采用4层板设计的产品中，为什么有些是双面铺地的，有些不是？

    铺地的作用有几个方面的考虑：1，屏蔽；2，散热；3，加固；4，PCB工艺加工需要。所以不管几层板铺地，首先要看它的主要原因。这里我们主要讨论高速问题，所以主要说屏蔽作用。表面铺地对EMC有好处，但是铺铜要尽量完整，避免出现孤岛。一般如果表层器件布线较多，很难保证铜箔完整，还会带来内层信号跨分割问题。所以建议表层器件或走线多的板子，不铺铜。

    5.对于一组总线（地址，数据，命令）驱动多个（多达4，5个）设备（FLASH,SDRAM,其他外设...）的情况，在PCB布线时，采用那种方式？

    布线拓扑对信号完整性的影响，主要反映在各个节点上信号到达时刻不一致，反射信号同样到达某节点的时刻不一致，所以造成信号质量恶化。一般来讲，星型拓扑结构，可以通过控制同样长的几个stub，使信号传输和反射时延一致，达到比较好的信号质量。在使用拓扑之间，要考虑到信号拓扑节点情况、实际工作原理和布线难度。不同的buffer，对于信号的反射影响也不一致，所以星型拓扑并不能很好解决上述数据地址总线连接到flash和sdram的时延，进而无法确保信号的质量；另一方面，高速的信号一般在dsp和sdram之间通信，flash加载时的速率并不高，所以在高速仿真时只要确保实际高速信号有效工作的节点处的波形，而无需关注flash处波形；星型拓扑比较菊花链等拓扑来讲，布线难度较大，尤其大量数据地址信号都采用星型拓扑时。附图是使用Hyperlynx仿真数据信号在DDR——DSP——FLASH拓扑连接，和DDR——FLASH——DSP连接时在150MHz时的仿真波形。可以看到，第二种情形，DSP处信号质量更好，而FLASH处波形较差，而实际工作信号时DSP和DDR处的波形。

    6.频率30M以上的PCB，布线时使用自动布线还是手动布线；布线的软件功能都一样吗？

    是否高速信号是依据信号上升沿而不是绝对频率或速度。自动或手动布线要看软件布线功能的支持，有些布线手工可能会优于自动布线，但有些布线，例如查分布线，总线时延补偿布线，自动布线的效果和效率会远高于手工布线。一般PCB抄板基材主要由树脂和玻璃丝布混合构成，由于比例不同，介电常数和厚度都不同。一般树脂含量高的，介电常数越小，可以更薄。具体参数，可以向PCB生产厂家咨询。另外，随着新工艺出现，还有一些特殊材质的PCB板提供给诸如超厚背板或低损耗射频板需要。

    7.在PCB设计中，通常将地线又分为保护地和信号地；电源地又分为数字地和模拟地，为什么要对地线进行划分？

    划分地的目的主要是出于EMC的考虑，担心数字部分电源和地上的噪声会对其他信号，特别是模拟信号通过传导途径有干扰。至于信号的和保护地的划分，是因为EMC中ESD静放电的考虑，类似于我们生活中避雷针接地的作用。无论怎样分，最终的大地只有一个。只是噪声泻放途径不同而已。

    8.在布时钟时，有必要两边加地线屏蔽吗？

    是否加屏蔽地线要根据板上的串扰/EMI情况来决定，而且如对屏蔽地线的处理不好，有可能反而会使情况更糟。

    9.布不同频率的时钟线时有什么相应的对策？

    对时钟线的布线，最好是进行信号完整性分析，制定相应的布线规则，并根据这些规则来进行布线。

    10.PCB单层板手工布线时，是放在顶层还是底层？

    如果是顶层放器件，底层布线。

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