技術(shù)資訊 I 如何優(yōu)化高頻電路板 layout 設計？

耀創(chuàng)深圳

本文要點

高頻 PCB 和高速 PCB 之間是否有區(qū)別？

高頻 PCB 設計的主要挑戰(zhàn)

高頻 PCB layout 優(yōu)化設計指南

雖然我們通常認為噪聲與聲音干擾的音量有關(guān)，但噪聲的頻率遠遠超出了我們的聽覺范圍—最高約為 20 kHz。事實上，電子設計人員和開發(fā)人員認定的噪聲大部分只能在示波器或類似設備上看到，而人耳是聽不到的。無論是聽到還是看到的噪聲，我們通常所說的噪聲都有一個共同點，那就是噪聲具有干擾性。


噪聲是高頻 PCB 設計的克星

對于依賴高保真度的數(shù)據(jù)和信息才能正常運行的電子系統(tǒng)來說，噪聲或電磁干擾 (EMI) 是電子線路板上和電子線路板之間的主要干擾源。對于高速和高頻 PCB 設計而言，優(yōu)化 PCB layout 的許多指導原則都是嚴格按照一定的要求制定的，即減少或消除板載 EMI 和/或在運行環(huán)境中實現(xiàn)最佳電磁兼容性 (emc)。

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高頻 PCB 與高速 PCB

頻率和速度通常是同義詞，讓我們來明確一下這兩個術(shù)語的定義：


高速 PCB
速度是一個時域術(shù)語，高速 PCB 通常用于描述以較快或較高的數(shù)據(jù)傳輸速率或比特率傳輸、接收和/或處理數(shù)字信號的電路板。


高頻 PCB
在頻域中，描述信號的方式是它們完成一個周期需要多長時間。高頻 PCB 通常指傳播模擬或射頻信號頻率較高的電路板。

與模擬信號不同的是，數(shù)字信號不一定具有持續(xù)重復的周期。然而，模擬信號頻率（以 s-1 或 Hz 為單位）和數(shù)字信號速度（以比特/秒或字節(jié)/秒為單位）都是以時間為單位進行測量的。具體講解歡迎點擊文末閱讀原文觀看視頻。


在 allegro X PCB Designer 工具中的高速設計

高頻或高速對于電子線路板的意義是相同的。也就是說，“高”意味著電路板上信號變化的速度會使信號完整性受到阻抗和其他電路板參數(shù)的嚴重影響。但是，到底多高才算“高”呢？對于射頻信號而言，頻率超過約 50 MHz 乃至微波范圍時，就會對信號完整性產(chǎn)生影響。而對于數(shù)字信號來說，答案卻沒有這么簡單。

PCBA 可根據(jù)最快的信號所在的速度域進行分類�？煞譃橐韵氯齻�速度域：

速度域



如上圖所示，如果信號在通過路徑長度所需時間的 1/4 時間內(nèi)轉(zhuǎn)換，則電路板被歸類為慢速電路板，頻率或速度不會對電路板的性能或信號完整性產(chǎn)生重大影響。對于快速電路板，頻率可能會產(chǎn)生一些影響。不過，可以通過縮短路徑長度來減輕影響。對于高速和高頻 PCB 設計而言，有一些挑戰(zhàn)必須要加以應對。

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高頻 PCB 設計的挑戰(zhàn)

高頻 PCBA 的設計與大多數(shù)其他電路板的設計類似，都應遵循旨在確�？煽啃院涂芍圃煨缘� IPC 標準。但是，為了確保符合電路板性能標準，高頻電路板還需要考慮以下一些問題——

輻射
高頻和高速電路板通常包含會輻射 EMI 的器件。這些設備（如無線發(fā)射器、轉(zhuǎn)換器和電源）會產(chǎn)生板載 EMI，并影響電路板安裝環(huán)境的電磁兼容性。
吸收
與輻射 EMI 相反，電路板可能會吸收附近電路板或設備的輻射，從而影響電路板的性能。
信號衰減
限制信號衰減是一個主要的考慮因素，當差分對不匹配、傳輸線過長、缺乏所需屏蔽或存在其他誘因時，可能會出現(xiàn)信號衰減。
反射
信號完整性低下的另一個原因是缺乏阻抗匹配，這會導致信號被過度反射回信號源，而不是向前傳輸。
耦合
當兩個導體靠得很近時，就會發(fā)生耦合。顯然，這會對信號傳播產(chǎn)生負面影響；因此，間距是 PCB layout 設計中一個非常重要的參數(shù)。
寄生電容
寄生電容是電路板上不良耦合的主要來源之一。雖然這種虛擬的無功器件無法完全消除，但可以將其影響降至最低。
諧波失真
諧波失真是信號完整性問題的常見來源。頻率偏移是影響發(fā)射機/接收機性能的因素之一。
共模噪聲
對于帶有電源和/或轉(zhuǎn)換電路的電路板，共模噪聲可能會造成問題。共模噪聲通常是由于終端之間存在雜散電容造成的。
表面漏電起痕
對于高電壓和/或高電流 PCBA，表面漏電起痕可能會造成問題，即通過不良絕緣層產(chǎn)生電流路徑。漏電起痕可能會造成危險，導致器件燒毀甚至起火。

上述所列的內(nèi)容并非詳盡無遺，但從中我們可以發(fā)現(xiàn)，高頻 PCB 設計必須小心謹慎。



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為高頻電路板設計
最佳的 PCB layout

回顧上文所列的注意事項可以得出結(jié)論，要創(chuàng)建最佳的高頻 PCB layout，就必須在設計過程的幾乎所有方面做出正確的決定。其中包括器件放置、間距和間隙、布線、堆疊、接地和材料選擇。為此，可以采用以下簡單的三個步驟來實現(xiàn)這一目標。

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采用并遵循良好的高頻 PCB 設計指南

重要的是要制定設計計劃，該計劃應包含經(jīng)過驗證的設計原則，包括解決性能、運行、可制造性和可靠性問題的具體措施，如下所示：

材料選擇

確保介電常數(shù)在高頻運行下保持穩(wěn)定

使用較薄的銅皮

采用阻焊層，以盡量減少耗散因子

器件擺放

根據(jù)信號類型對器件進行分組

隔離天線等輻射源

間距和間隙

差分走線之間保持相等的間距

遵循爬電和間隙標準

這些應用中使用的布線

在不同層上對不同的信號類型進行布線

盡量縮短走線長度

盡量增加不同走線之間的間距

堆疊

如果可能的話，盡量采用對稱的堆疊

接地

針對不同類型的信號采用單獨的接地

避免將接地層與信號分開

濾波

對于快速開關(guān)型電路板，良好的濾波對減少 EMI 至關(guān)重要

屏蔽

使用屏蔽保護高輻射器件

在設計時遵循上述指南和其他設計規(guī)則，有助于確保電路板實現(xiàn)性能和運行目標。不過，所有設計要求都應在合同制造商的能力范圍內(nèi)，以確�？芍圃煨栽O計。

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設置并管理約束條件

制定必要的設計規(guī)則和準則時需要設置一個約束管理器，如下所示：


Allegro X PCB Designer 工具中的約束管理器

大多數(shù)優(yōu)秀的 PCB 設計軟件都提供類似上面的選項，用于設置電氣、物理和制造方面的考慮事項。挑戰(zhàn)在于將它們整理好，確保最關(guān)鍵的事項得到優(yōu)先考慮。借助 Cadence Allegro X PCB Designer這樣的高級設計平臺，只需選擇 High-speed Option 即可。


Allegro X PCB Designer 工具選項

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驗證設計

高速 PCB 設計的最后一步是驗證設計，確保糾正了所有違反設計規(guī)則的錯誤，并且所有選擇都在合同制造商的 DFM（可制造性設計）能力范圍內(nèi)。我們還建議利用仿真來測試電路板的電源分配網(wǎng)絡、熱曲線和信號流，Allegro X PCB Designer 即可提供該功能。

Allegro X PCB Designer 集成在 Allegro X Design Platform 中， Allegro X Design Platform 是一個強大且統(tǒng)一的系統(tǒng)設計解決方案，為協(xié)作式的團隊工作環(huán)境提供支持，滿足前沿、現(xiàn)代的電子設計需求。無論是錯綜復雜、技術(shù)要求嚴格的系統(tǒng)，還是普通的電路要求，該平臺都可以輕松應對。它提供了一個集成的生態(tài)系統(tǒng)，包括原理圖設計、PCB layout 和設計同步分析（In-Design Analysis，IDA），由集中管理的可視化設計數(shù)據(jù)提供支持，有效避免了不必要的設計沖突和錯誤。并具有各種廣泛的自動化功能、無縫的 ECAD-MCAD 協(xié)作、實時仿真和分析、可制造性設計（DFM）檢查，以及高級布線、高密和射頻（RF）功能，確保設計團隊交付合規(guī)、高性能、高可靠且可制造的多板系統(tǒng)。


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