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PCB布板三大規則分析

更新時間:2015-12-23 16:22:00點擊次數:3724次

一塊優秀的電路板,除了在實現電路原理功能之外,還要考慮EMI,EMC,ESD,信號完整性等電氣特性,也要考慮機械結構,大功耗芯片的散熱問題,在這基礎上再考慮電路板美觀問題。所以,PCB板布線是門藝術,具體而言是門折衷的藝術。在開始學習摸索PCB布線之前,或許您會在各式各樣的參考書中看見各式各樣的PCB板布線的規則,即使許多規則在一定程度上會是有相同的內涵,可是在不同的實際布板實踐中會有不同的側重點,甚至規則之間會產生沖突。舉個例子:規則一信號傳輸的路徑越短越好,規則二是在高頻布線要求阻抗匹配。在考慮布DDR MEMORY的總線時,SOP封裝的MEMERY芯片不可能對所有的TRACK實現規則一,正確的做法是整體考慮阻抗匹配的條件下實現所有的TRACK相對最短。因此,實際布線中規則之間的不可兼得就會讓讀者布線過程中自覺的有效的利用這些規則時產生種種疑惑,甚至就陷入這樣或者是那樣的一般性的規則中不知所措。在這就需要強調一點――各種布線規則只是指導性的,要結合實際的布線過程去不斷折衷以取得最大的效用。我想只要在實際布線中自覺注意這些規則,或多或少會對布線的效果有所幫助。 

1. 模塊化,結構化的思想不僅體現在硬件原理設計中,也要反映在布局布線效果中  

如今的硬件平臺的集成度越來越高,系統越來越復雜,自然而然也就要求無論是硬件原理圖的設計中還是PCB布線中使用模塊化,結構化設計的方法。如果接觸過大規模的FPGA或是CPLD就知道,復雜IC的設計必然要求采用自上至下的模塊化的設計方法。所以作為硬件工程師,在了解系統整體架構的前提下,首先應該在原理圖和PCB布線設計中自覺融合模塊化的設計思想。舉個例子,數字電視機頂盒的硬件平臺的主IC-QAMI5516中就有如下的幾種模塊:  

ST20:主頻180MHZ的32位RISC CPU  

PTI:TRANSPORT STREAM的處理單元  

DISPLAY:MPEG-2解碼,顯示處理單元  

DEMODULATOR:QAM解調器  

MEMORY INTERFACE:不同應用系統所需要不同的MEMORY的接口  

STBUS:各個模塊的數據通訊總線  

PERIPHERALS:UART,SMARTCARD,IIC,GPIO,PWM等常用外設  

AUDIO:音頻輸出接口  

VEDIO:視頻輸出接口  

QAMI5516模塊化的設計過程,雖然不一定要求硬件工程師了解系統的方方面面,可是必然要求在設計硬件平臺時,把在實際運用中使用到的IC不同模塊的接口部分當作一個子系統來處理:例如音頻部分電路和視頻部分電路在布局布線的時候就應該在一個整體區域內進行。這樣做,不僅延續了IC模塊化設計的思路,而且可以方便在需要進行PCB板的物理分隔,減少不同模塊之間的電氣耦合,可以方便整個系統的調試。我們知道,硬件調試中最容易檢查,處理電路原理設計中的錯誤的方法就是“頭痛醫頭,腳痛醫腳”,即上述的QAMI5516平臺中,如果音頻部分電路有問題,首先要做的就是檢查校驗音頻模塊。  

模塊化的思想還體現在系統總線的布線上,通??偩€都區分為CONCROL BUS,DATA BUS,ADDR BUS,這三類。例如上面QAMI5516中SMI上使用的是一片16M的SDRAM,工作頻率在100MHZ,這就要求這一組總線在布線過程中需要統一成一個整體來考慮阻抗匹配。在實際的布線過程中,不可能要把這些線布得七零八落吧。  

模塊化的思想也有利于PCB板的布局。  

模塊化的思想也有利于硬件系統的功能的擴展或是更改。 

2. 站在整個系統的角度上,分析各個模塊信號的性質,確定其在整個系統中占據的地位,從而確定模塊在布局布線的優先級  

布局對于整個系統具有重要的意義,這要求在實際的布線過程中,對于各個模塊的具體處理有輕重緩急之分。一般的布局規則,都要求區分模塊是模擬電路,還是數字電路,是高頻電路還是低頻電路,是主要的干擾源還是敏感的關鍵信號等等。因此,在布局之前必須仔細分析各個模塊信號的性質包括模塊的屬性,功能,供電電源,具體信號的頻率,電流的流向,電流強度等,以確定模塊在PCB板上布局。通常,在機械結構確定的情況下,復雜的系統還會有N種不同的布局方式,這需要站在系統的角度上依照一些規則的折中來找出最優化的布局布線。  

在數字模塊中,都會有時鐘,例如SDRAM的CLOCK,而時鐘電路是影響EMC的主要因素。集成電路的大部分噪聲都與時鐘頻率及其多次諧波有關。如果CLOCK信號是一個正弦波形式,如果處理不當,對系統會“貢獻”一個該頻率或是該頻率的倍頻的干擾源,如果是CLOCK信號是方波形式,則對系統“貢獻”一個雜散頻率的干擾源。同時,CLOCK還是一個容易受干擾的信號,如果CLOCK受到干擾,對數字系統的影響可想而知。因此,時鐘電路模塊是屬于關鍵模塊,在布局布線過程中優先各種規則考慮其布局布線。  

類似的還有在現在許多的嵌入式硬件系統中的各種各樣的中斷模塊。中斷的觸發有電平觸發和邊沿觸發。曾經碰到過一個設置為上升沿觸發的中斷因外界的干擾而不斷的被觸發,最終導致了RTOS由于處理不過來而堵死的現象。  

按照這一原則來分析二個簡單的電路布局。在一個我接觸到的手機硬件平臺中,顯示屏的亮度電路是通過一個PWM產生的不同脈寬信號,經過一個RC積分電路建立不同的背光燈電壓來實現的。PWM信號和CLOCK相比,在對整個系統EMI的影響上在某種意義上是相同的。但是如果仔細分析一些,就應該知道,如果在布線時,IC的PWM信號在盡可能短的路徑上建立模擬的電平后才在PCB板上傳輸,也就是說電阻和電容盡可能的靠近PWM管腳放置,這樣可以使PWM對系統的干擾減小到最小。在手機硬件平臺的設計中,RF部分和音頻部分是系統的核心,這兩部分的布線占據絕對核心的地位,在布線時置于優先考慮的地位。所以在實際布局布線中,這兩個模塊的信號線單獨布在一中間層,并且在其鄰層使用電源層和地層,把它屏蔽起來,同時其他模塊盡量遠離這兩個模塊,以免引入干擾。另外嘗試著考慮這樣一個細節:MIC輸入很小的音頻信號需要經過放大到一定的程度后再輸入到AUDIO ADC中。我們知道抽象意義上的信道傳輸信噪比是衡量噪聲對系統的影響??梢韵嗷⒄?,一個小的噪聲在音頻信號放大之前就串擾就信道和在音頻信號在放大之后才進信道對音頻指標的影響。如果這信道的路徑不得以經過一些強干擾源的區域,建議音頻信號進行放大后再進行傳輸。  

再比如在復雜系統的總線上通常會掛接類型的設備,如I2C總線可以掛127個從設備,在某些機頂盒硬件平臺中通常會掛上DEMODULATOR,TUNER,E2PROM。這也要求對不同的設備對于分享總線的頻率上加以區分,對于使用頻率高的設備放在相對比較重要的位置上。例如在上述QAMI5516平臺上的EMI接口同時使用了SDRAM,FLASH兩種設備?;趯ο到y的理解,SDRAM放置的是實時操作系統的運行代碼,FLASH是作為一種存儲介質,在軟件系統運行過程中SDRAM相對于FLASH有更多的讀寫操作,因此在布線過程中應該先考慮SDRAM的位置。 

3. 注重電源完整性,布局布線中優先考慮電源和地線的處理  

在任何電子系統中,干擾源對系統的干擾不外乎通過兩種途徑:一是通過導體的傳遞,二是通過電磁輻射經過空間的耦合。在頻率較低的系統中主要是第一種路徑,在高頻系統中也有相當部分的干擾原因是通過導體的傳遞,其中比較明顯的就是IC產生的噪聲通過電源和地干擾整個系統。因此,電源的完整性或者說是電源質量對整個系統的抗干擾能力具有至關重要的意義。電源完整性實際上是信號完整性的一部分,然而考慮到電源對于所有系統的重要性,在此單獨列出。要聲明的是,在實際系統中,要做到這一點并不容易,系統中總會有各種不同頻率的噪聲。在電路設計和PCB布局布線中只是極力的減小各種頻率的噪聲,從而提高系統的抗噪聲的整體性能。同時,在復雜系統中,減少系統的噪聲不是更改一兩電容的值就能夠做到,而是需要注意電源濾波效果的累積。在手機硬件設計中,有專門的PMU來對管理對各個模塊供電,然而PMU都是來自VBAT。無法想象,如果是敏感的音頻運放的供電沒有經過濾波的處理,直接取自VBAT,又或者,像給SDRAM供電的電路沒有做濾波處理,任由這部分數字電路的開關噪聲污染整個VBAT,會是有什么樣的后果?  

如果對電源完整性有了足夠的重視,結合起前面說過的模塊化和各個模塊仔細分析后,這部分還是相對比較好處理。對于IC電源VCC通常的規則一般都會用旁路電容和去耦電容進行處理,并且在布板的時候盡量讓這類電容靠近IC的電源輸入處。如果在要求苛刻的系統中,還可以對不同的敏感頻率采用LCCL電路(串接一個電感或是磁珠,并一個電解電容,并一個瓷片電容,再串一個小的電感,具體值需要依照相應頻率確定)濾波。曾經做一個復雜的系統,由于在系統的DEMODULATOR上的一路核心電源上沒有使用旁路電容,從而使DEMODULATOR的解調后的誤碼率高的無法忍受。對于系統中各種GND的處理,一般要求分析電流的回流路徑。電流具有總是選擇阻抗最小回流路徑的性質。這是一個核心原則,可以通過這樣一個事實來理解:在PCB布線中有“鋪銅”這樣的模式?!颁併~”經常會在網絡GND上使用,所有的數字信號都可以抽象成一個最基本的門級電路,GND也就是信號回流路徑的一部分。GND就是通過“鋪銅”的方式,使信號的路徑上的總阻抗變小?!熬徒拥亍?,“最小化接地阻抗”也正是基于這樣的考慮。  

上面只是拋磚引玉的講述了PCB抄板中的一些感觸頗深的幾點,有了這三個指導性原則,并結合具體的許多布線規則,剩下就是您的態度問題了。當然,畢竟能力和見識有限,其中難免有所偏頗,不足之處懇請指正。

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