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高速高密度PCB設計的關鍵技術與進展

  高速高密度已逐步成為許多現代電子產品的顯著發展趨勢之一,高速高密度PCB設計技術即成為一個重要的研究領域。

  與傳統的PCB設計相比,高速高密度PCB設計有若干關鍵技術問題,需要開發新的設計技術,有很多理論問題和技術問題尚待深入研究。同時,對高速高密度PCB要求越來越高,使高速高密度PCB設計不斷面臨新的問題;大量相關研究成果的不斷出現,推動高速高密度PCB設計技術不斷發展。本文介紹高速高密度PCB設計的關鍵技術問題(信號完整性、電源完整性、EMC/EMI和熱分析)和相關EDA技術的新進展,討論高速高密度PCB設計的幾種重要趨勢。

  關鍵技術問題

  高速高密度PCB設計的關鍵技術問題主要有信號完整性(signalintegrity,SI)、電源完整性(powerintegrity,PI)、EMC/EMI和熱分析。

  信號完整性

  信號完整性主要指信號在信號線上傳輸的質量1當電路信號能以要求的時序(timing)、持續時間和電壓幅值到達接收芯片的引腳時,該電路就有好的信號完整性。當信號不能正常響應或信號質量不能使系統長期穩定工作時,就出現了信號完整性問題。信號完整性問題主要表現為:延遲、反射、過沖、振鈴、串擾、時序、同步切換噪聲、EMI等。

  信號完整性問題將直接導致信號失真、時序錯誤,以及產生錯誤的數據、地址和控制信號,從而造成系統出錯甚至癱瘓。通常,對數字芯片而言,高于VIH的電平是邏輯1,低于VIL的電平是邏輯0,在VIL~VIH之間的電平是不確定狀態。對于有振鈴的數字信號,當振蕩電平進入VIL~VIH的不確定區時,就可能引起邏輯錯誤。數字信號的傳輸必須有正確的時序。一般的數字芯片都要求數據必須在時鐘觸發沿的tsetup前就要穩定,才能保證邏輯的時序正確。信號傳輸延遲的時間太長,則可能在時鐘的上升沿或下降沿處接收不到正確的邏輯,從而引起時序錯誤。

  引起信號完整性問題的原因較復雜,元器件的參數、PCB的參數、元器件在PCB上的布局、高速信號的布線等都是影響信號完整性的重要因素。信號完整性是個系統問題,研究和解決信號完整性問題必須用系統的觀點。

  相對而言,人們對信號完整性問題的研究經歷了幾十年,取得了很多重要的理論與技術成果,積累了豐富的經驗。很多信號完整性技術已比較成熟,已得到廣泛應用。

  電源完整性

  電源完整性主要指高速系統中,電源分配系統(powerdistributionsystem,PDS)在不同頻率上,阻抗特性不同,使PCB上電源層與地層間的電壓在電路板的各處不盡相同,從而造成供電不連續,產生電源噪聲,使芯片不能正常工作。同時,由于高頻輻射,電源完整性問題還會帶來EMC/EMI問題。在高速度、低工作電壓的電路中,電源噪聲的危害尤為嚴重。

  電源完整性的提出,源于在不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進行信號完整性分析時所帶來的巨大誤差。

  相對而言,對電源完整性的研究起步較晚,理論研究和技術手段尚不夠成熟,是目前高速高密度PCB設計最大的挑戰之一。目前主要是采取一些通行的措施,在一定程度上,盡量減小由電源完整性問題帶來的不利影響。所采取的主要措施,一是優化PCB的疊層、布局和布線設計;二是適當增加退耦電容。當系統頻率小于300~400MHz時,在適當的位置設置合適的電容,有助于減小電源完整性問題的影響。但是,當系統頻率更高時,退耦電容的作用很小。在這種情況下,只有通過優化PCB設計來減小電源完整性問題的影響。

  EMC

  EMC(electro-magneticcompatibility)通常定義為:“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。”也有的定義為:“是研究在有限的空間、有限的時間和有限的頻譜資源條件下,各種用電設備(分系統、系統,廣義的還包括生物體)可以共存并不至引起降級的一門科學。”

  EMC主要研究EMI(electro-magneticinterference)和EMS(electro-magneticsusceptibility)兩方面的內容。EMI的產生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的。它包括由導線和公共地線的傳導、通過空間輻射或通過近場耦合三種基本形式。

  電子產品的EMC非常重要,目前許多國家和地區都有嚴格的、齊全的EMC標準,越來越多的電子產品必須通過相關的EMC測試認證才能進入市場。而且,隨著電磁環境的日益惡化,對電子產品的EMC要求會越來越高。

  相對而言,EMC問題最為復雜。當上升(下降)時間(risetimeorfalltime)由5ns減小為2.5ns,EMI將提高約4倍。EMI的頻譜寬度與上升時間成反比1EMI的輻射強度與頻率的平方成正比1這類EMI輻射的頻率范圍約為數十MHz至數GHz。這些高頻對應的波長很短,PCB上很短的連接線甚至芯片內的互連線都可能成為高效的發射或接收天線,進而引起嚴重的EMC問題。HenryOtt咨詢公司總裁HenryWOtt在東部PCB設計研討會(PCBDesignConference-East)上的主題演講中強調:“在高速設計的時代,PCB設計人員如果不更多地了解EMC問題,將會面臨許多意想不到的問題。”“由于設計速度更快,且無線設計已越來越普遍,EMC將成為一個更為巨大的挑戰。”

  由于EMC的復雜性,加上現代電子產品對EMC的要求越來越高,EMC技術將是一個需要長期研究的重要領域。目前預防和解決EMC問題,主要是遵循一些通行的PCB設計約束規則,但具體采用那些規則,效果如何,則必須具體問題具體分析,在很大程度上取決于設計人員的理論水平和實際經驗。

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