單片機硬件參數設計解析

摘要：隨著(zhù)目前新技術(shù)、新工藝的不斷出現，高速單片機的應用越來(lái)越廣，對硬件的可靠性問(wèn)題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機設計的關(guān)鍵點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：高速單片機 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 熱設計
引 言
隨著(zhù)單片機的頻率和集成度、單位面積的功率及數字信號速度的不斷提高，而信號的幅度卻不斷降低，原先設計好的、使用很穩定的單片機系統，現在可能出現莫名其妙的錯誤，分析原因，又找不出問(wèn)題所在。另外，由于市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機來(lái)實(shí)現，設計人員如何快速掌握高速設計呢?
硬件設計包括邏輯設計和可靠性的設計。邏輯設計實(shí)現功能。硬件設計工程師可以直接通過(guò)驗證功能是否實(shí)現，來(lái)判定是否滿(mǎn)足需求。這方面的資料相當多，這里就不敘述了。硬件可靠性設計，主要表現在電氣、熱等關(guān)鍵參數上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設計等5個(gè)部分。
1 特性阻抗
近年來(lái)，在數字信號速度日漸增快的情況下，在印制板的布線(xiàn)時(shí)，還應考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問(wèn)題。這樣，原來(lái)簡(jiǎn)單的導線(xiàn)，逐漸轉變成高頻與高速類(lèi)的復雜傳輸線(xiàn)了。
在高頻情況下，印制板（PCB）上傳輸信號的銅導線(xiàn)可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導線(xiàn)路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應，會(huì )得到以下公式：
式中Z0即特性阻抗，單位為Ω。
PCB的特性阻抗Z0與PCB設計中布局和走線(xiàn)方式密切相關(guān)。影響PCB走線(xiàn)特性阻抗的因素主要有：銅線(xiàn)的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數和厚度、焊盤(pán)的厚度、地線(xiàn)的路徑、周邊的走線(xiàn)等。
在PCB的特性阻抗設計中，微帶線(xiàn)結構是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應用。最常使用的微帶線(xiàn)結構有4種：表面微帶線(xiàn)（surface microstrip）、嵌入式微帶線(xiàn)（embedded microstrip）、帶狀線(xiàn)（stripline）、雙帶線(xiàn)（dual-stripline）。下面只說(shuō)明表面微帶線(xiàn)結構，其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線(xiàn)模型結構如圖2所示。
Z0的計算公式如下：
對于差分信號，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：
公式中：
——PCB基材的介電常數；
b——PCB傳輸導線(xiàn)線(xiàn)寬；
d1——PCB傳輸導線(xiàn)線(xiàn)厚；
d2——PCB介質(zhì)層厚度；
D——差分線(xiàn)對線(xiàn)邊沿之間的線(xiàn)距。
從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過(guò)控制以上4個(gè)參數，可以得到相應的特性阻抗。

2 信號完整性（SI）
SI是指信號在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應的能力。如果電路中的信號能夠以要求的時(shí)序、持續時(shí)間和電壓幅度到達IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當信號不能正常響應時(shí)，就出現了信號完整性問(wèn)題。從廣義上講，信號完整性問(wèn)題主要表現為5個(gè)方面：延遲、反射、串擾、同步切換噪聲和電磁兼容性。
延遲是指信號在PCB板的導線(xiàn)上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端發(fā)出到達接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號的延遲會(huì )對系統的時(shí)序產(chǎn)生影響。在高速數字系統中，傳輸延遲主要取決于導線(xiàn)的長(cháng)度和導線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的介電常數。
當PCB板上導線(xiàn)(高速數字系統中稱(chēng)為傳輸線(xiàn))的特征阻抗與負載阻抗不匹配時(shí)，信號到達接收端后有一部分能量將沿著(zhù)傳輸線(xiàn)反射回去，使信號波形發(fā)生畸變，甚至出現信號的過(guò)沖和下沖。如果信號在傳輸線(xiàn)上來(lái)回反射，就會(huì )產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。
由于PCB板上的任何兩個(gè)器件或導線(xiàn)之間都存在互容和互感，因此，當一個(gè)器件或一根導線(xiàn)上的信號發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì )通過(guò)互容和互感影響其它器件或導線(xiàn)，即串擾。串擾的強度取決于器件及導線(xiàn)的幾何尺寸和相互距離。