PCB的設計基礎介紹

11、在高速 PCB 設計中，信號層的空白區域可以敷銅，而多個(gè)信號層的敷銅在接地和接電源上應如何分配?

一般在空白區域的敷銅絕大部分情況是接地。 只是在高速信號線(xiàn)旁敷銅時(shí)要注意敷銅與信號線(xiàn)的距離， 因為所敷的銅會(huì )降低一點(diǎn)走線(xiàn)的特性阻抗。 也要注意不要影響到它層的特性阻抗， 例如在 dual strip line 的結構時(shí)。

12、是否可以把電源平面上面的信號線(xiàn)使用微帶線(xiàn)模型計算特性阻抗?電源和地平面之間的信號是否可以使用帶狀線(xiàn)模型計算?

是的， 在計算特性阻抗時(shí)電源平面跟地平面都必須視為參考平面。 例如四層板: 頂層-電源層-地層-底層， 這時(shí)頂層走線(xiàn)特性阻抗的模型是以電源平面為參考平面的微帶線(xiàn)模型。

13、在高密度印制板上通過(guò)軟件自動(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)一般情況下能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的測試要求嗎?

一般軟件自動(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)是否滿(mǎn)足測試需求必須看對加測試點(diǎn)的規范是否符合測試機具的要求。另外，如果走線(xiàn)太密且加測試點(diǎn)的規范比較嚴，則有可能沒(méi)辦法自動(dòng)對每段線(xiàn)都加上測試點(diǎn)，當然，需要手動(dòng)補齊所要測試的地方。

14、添加測試點(diǎn)會(huì )不會(huì )影響高速信號的質(zhì)量?

至于會(huì )不會(huì )影響信號質(zhì)量就要看加測試點(diǎn)的方式和信號到底多快而定?；旧贤饧拥臏y試點(diǎn)(不用在線(xiàn)既有的穿孔(via or DIP pin)當測試點(diǎn))可能加在在線(xiàn)或是從在線(xiàn)拉一小段線(xiàn)出來(lái)。前者相當于是加上一個(gè)很小的電容在在線(xiàn)，后者則是多了一段分支。這兩個(gè)情況都會(huì )對高速信號多多少少會(huì )有點(diǎn)影響，影響的程度就跟信號的頻率速度和信號緣變化率(edge rate)有關(guān)。影響大小可透過(guò)仿真得知。原則上測試點(diǎn)越小越好(當然還要滿(mǎn)足測試機具的要求)分支越短越好。

15、若干 PCB 組成系統，各板之間的地線(xiàn)應如何連接?

各個(gè) PCB 板子相互連接之間的信號或電源在動(dòng)作時(shí)，例如 A 板子有電源或信號送到 B 板子，一定會(huì )有等量的電流從地層流回到 A 板子 (此為 Kirchoff current law)。這地層上的電流會(huì )找阻抗最小的地方流回去。所以，在各個(gè)不管是電源或信號相互連接的接口處，分配給地層的管腳數不能太少，以降低阻抗，這樣可以降低地層上的噪聲。另外，也可以分析整個(gè)電流環(huán)路，尤其是電流較大的部分，調整地層或地線(xiàn)的接法，來(lái)控制電流的走法(例如，在某處制造低阻抗，讓大部分的電流從這個(gè)地方走)，降低對其它較敏感信號的影響。

16、能介紹一些國外關(guān)于高速 PCB 設計的技術(shù)書(shū)籍和數據嗎?

現在高速數字電路的應用有通信網(wǎng)路和計算器等相關(guān)領(lǐng)域。在通信網(wǎng)路方面，PCB 板的工作頻率已達 GHz 上下，疊層數就我所知有到 40 層之多。計算器相關(guān)應用也因為芯片的進(jìn)步，無(wú)論是一般的 PC 或服務(wù)器(Server)，板子上的最高工作頻率也已經(jīng)達到 400MHz (如 Rambus) 以上。因應這高速高密度走線(xiàn)需求，盲埋孔(blind/buried vias)、mircrovias 及 build-up 制程工藝的需求也漸漸越來(lái)越多。 這些設計需求都有廠(chǎng)商可大量生產(chǎn)。

17、兩個(gè)常被參考的特性阻抗公式：

微帶線(xiàn)(microstrip) Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中，W 為線(xiàn)寬，T 為走線(xiàn)的銅皮厚度，H 為走線(xiàn)到參考平面的距離，Er 是 PCB 板材質(zhì)的介電常數(dielectric constant)。此公式必須在0.1(W/H)2.0 及 1(Er)15 的情況才能應用。

帶狀線(xiàn)(stripline) Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中，H 為兩參考平面的距離，并且走線(xiàn)位于兩參考平面的中間。此公式必須在 W/H0.35 及 T/H0.25 的情況才能應用。

18、差分信號線(xiàn)中間可否加地線(xiàn)?

差分信號中間一般是不能加地線(xiàn)。因為差分信號的應用原理最重要的一點(diǎn)便是利用差分信號間相互耦合(coupling)所帶來(lái)的好處，如 flux cancellation，抗噪聲(noise immunity)能力等。若在中間加地線(xiàn)，便會(huì )破壞耦合效應。

19、剛柔板設計是否需要專(zhuān)用設計軟件與規范?國內何處可以承接該類(lèi)電路板加工?

可以用一般設計 PCB 的軟件來(lái)設計柔性電路板(Flexible Printed Circuit)。一樣用 Gerber 格式給 FPC廠(chǎng)商生產(chǎn)。由于制造的工藝和一般 PCB 不同，各個(gè)廠(chǎng)商會(huì )依據他們的制造能力會(huì )對最小線(xiàn)寬、最小線(xiàn)距、最小孔徑(via)有其限制。除此之外，可在柔性電路板的轉折處鋪些銅皮加以補強。至于生產(chǎn)的廠(chǎng)商可上網(wǎng)“FPC”當關(guān)鍵詞查詢(xún)應該可以找到。

20、適當選擇 PCB 與外殼接地的點(diǎn)的原則是什么?

選擇 PCB 與外殼接地點(diǎn)選擇的原則是利用 chassis ground 提供低阻抗的路徑給回流電流(returning current)及控制此回流電流的路徑。例如，通常在高頻器件或時(shí)鐘產(chǎn)生器附近可以借固定用的螺絲將 PCB的地層與 chassis ground 做連接，以盡量縮小整個(gè)電流回路面積，也就減少電磁輻射。

21、電路板 DEBUG 應從那幾個(gè)方面著(zhù)手?

就數字電路而言，首先先依序確定三件事情： 1. 確認所有電源值的大小均達到設計所需。有些多重電源的系統可能會(huì )要求某些電源之間起來(lái)的順序與快慢有某種規范。 2. 確認所有時(shí)鐘信號頻率都工作正常且信號邊緣上沒(méi)有非單調(non-monotonic)的問(wèn)題。3. 確認 reset 信號是否達到規范要求。 這些都正常的話(huà)，芯片應該要發(fā)出第一個(gè)周期(cycle)的信號。接下來(lái)依照系統運作原理與 bus protocol 來(lái) debug。

22、在電路板尺寸固定的情況下，如果設計中需要容納更多的功能，就往往需要提高 PCB 的走線(xiàn)密度，但是這樣有可能導致走線(xiàn)的相互干擾增強，同時(shí)走線(xiàn)過(guò)細也使阻抗無(wú)法降低，請專(zhuān)家介紹在高速(>100MHz)高密度 PCB 設計中的技巧?

在設計高速高密度 PCB 時(shí)，串擾(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的，因為它對時(shí)序(timing)與信號完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方：

控制走線(xiàn)特性阻抗的連續與匹配。

走線(xiàn)間距的大小。一般?？吹降拈g距為兩倍線(xiàn)寬?？梢酝高^(guò)仿真來(lái)知道走線(xiàn)間距對時(shí)序及信號完整性的影響，找出可容忍的最小間距。不同芯片信號的結果可能不同。

選擇適當的端接方式。

避免上下相鄰兩層的走線(xiàn)方向相同，甚至有走線(xiàn)正好上下重疊在一起，因為這種串擾比同層相鄰走線(xiàn)的情形還大。

利用盲埋孔(blind/buried via)來(lái)增加走線(xiàn)面積。但是 PCB 板的制作成本會(huì )增加。 在實(shí)際執行時(shí)確實(shí)很難達到完全平行與等長(cháng)，不過(guò)還是要盡量做到。

除此以外，可以預留差分端接和共模端接，以緩和對時(shí)序與信號完整性的影響。

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。 因為電感的感抗(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)電流的反應能力。如 果 LC 的輸出端會(huì )有機會(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)對負反饋控制(negative feedback control)回路穩定度的影響。

25、如何盡可能的達到 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目以增強屏蔽效應及增加了 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構上的屏蔽結構才能使整個(gè)系統通過(guò) EMC的要求。以下僅就 PCB 板的設計技巧提供幾個(gè)降低電路產(chǎn)生的電磁輻射效應。

盡可能選用信號斜率(slew rate)較慢的器件，以降低信號所產(chǎn)生的高頻成分。

注意高頻器件擺放的位置，不要太靠近對外的連接器。

注意高速信號的阻抗匹配，走線(xiàn)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的去耦合電容以緩和電源層和地層上的噪聲。特別注意電容的頻率響應與溫度的特性是否符合設計所需。

對外的連接器附近的地可與地層做適當分割，并將連接器的地就近接到 chassis ground。

可適當運用 ground guard/shunt traces 在一些特別高速的信號旁。但要注意 guard/shunt traces 對走線(xiàn)特性阻抗的影響。

電源層比地層內縮 20H，H 為電源層與地層之間的距離。

26、當一塊 PCB 板中有多個(gè)數/模功能塊時(shí)，常規做法是要將數/模地分開(kāi)，原因何在?

將數/模地分開(kāi)的原因是因為數字電路在高低電位切換時(shí)會(huì )在電源和地產(chǎn)生噪聲，噪聲的大小跟信號的速度及電流大小有關(guān)。如果地平面上不分割且由數字區域電路所產(chǎn)生的噪聲較大而模擬區域的電路又非常接近，則即使數模信號不交叉， 模擬的信號依然會(huì )被地噪聲干擾。也就是說(shuō)數模地不分割的方式只能在模擬電路區域距產(chǎn)生大噪聲的數字電路區域較遠時(shí)使用。

27、另一種作法是在確保數/模分開(kāi)布局，且數/模信號走線(xiàn)相互不交叉的情況下，整個(gè) PCB板地不做分割，數/模地都連到這個(gè)地平面上。道理何在?

數模信號走線(xiàn)不能交叉的要求是因為速度稍快的數字信號其返回電流路徑(return current path)會(huì )盡量沿著(zhù)走線(xiàn)的下方附近的地流回數字信號的源頭，若數模信號走線(xiàn)交叉，則返回電流所產(chǎn)生的噪聲便會(huì )出現在模擬電路區域內。

28、在高速 PCB 設計原理圖設計時(shí)，如何考慮阻抗匹配問(wèn)題?

在設計高速 PCB 電路時(shí)，阻抗匹配是設計的要素之一。而阻抗值跟走線(xiàn)方式有絕對的關(guān)系， 例如是走在表面層(microstrip)或內層(stripline/double stripline)，與參考層(電源層或地層)的距離，走線(xiàn)寬度，PCB材質(zhì)等均會(huì )影響走線(xiàn)的特性阻抗值。也就是說(shuō)要在布線(xiàn)后才能確定阻抗值。一般仿真軟件會(huì )因線(xiàn)路模型或所使用的數學(xué)算法的限制而無(wú)法考慮到一些阻抗不連續的布線(xiàn)情況，這時(shí)候在原理圖上只能預留一些terminators(端接)，如串聯(lián)電阻等，來(lái)緩和走線(xiàn)阻抗不連續的效應。真正根本解決問(wèn)題的方法還是布線(xiàn)時(shí)盡量注意避免阻抗不連續的發(fā)生。

29、哪里能提供比較準確的 IBIS 模型庫?

IBIS 模型的準確性直接影響到仿真的結果?；旧?IBIS 可看成是實(shí)際芯片 I/O buffer 等效電路的電氣特性數據，一般可由 SPICE 模型轉換而得 (亦可采用測量， 但限制較多)，而 SPICE 的數據與芯片制造有絕對的關(guān)系，所以同樣一個(gè)器件不同芯片廠(chǎng)商提供，其 SPICE 的數據是不同的，進(jìn)而轉換后的 IBIS 模型內之數據也會(huì )隨之而異。也就是說(shuō)，如果用了 A 廠(chǎng)商的器件，只有他們有能力提供他們器件準確模型數據，因為沒(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(chǎng)商所提供的 IBIS 不準確，只能不斷要求該廠(chǎng)商改進(jìn)才是根本解決之道。

30、在高速 PCB 設計時(shí)，設計者應該從那些方面去考慮 EMC、EMI 的規則呢?

一般 EMI/EMC 設計時(shí)需要同時(shí)考慮輻射(radiated)與傳導(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 設計必須一開(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外的連接器, 高速信號盡量走內層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續以減少反射, 器件所推的信號之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分, 選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時(shí)注意其頻率響應是否符合需求以降低電源層噪聲. 另外, 注意高頻信號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, 適當的選擇PCB 與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。