1、,技术研讨会暨新产品展示会,高速PCB设计技术 与测试技术,提纲,引言 高速PCB设计中可能存在的问题 高速PCB设计一般规范 测试技术电磁干扰扫描,高频电路的定义,在数字电路中，是否是高频电路 取决于信号的上升沿和下降沿，而不是信号的频率。 数字信号的绝大部分能量（功率谱密度）集中在 fknee之内 fknee = 0.5/Tr （如Tr1ns，则fknee为500MHz） Tr为1090的上升时间 超过fknee的信号对数字信号的影响很小 数字系统中，耦合串扰 互感串扰,提纲,引言 高速PCB设计中可能存在的问题 高速PCB设计一般规范 测试技术电磁干扰扫描,反射问题,传输线上的回波 信号
2、功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。 反射的原因 源端与负载端阻抗不匹配 布线的几何形状 布线的走向，过孔 不正确的线端接 经过连接器的传输 电源平面的不连续等。,串扰问题,串扰：两条信号线之间的耦合 容性串扰：当线路以一定的距离彼此靠近时，会出现这种情况。容性耦合引发耦合电流 感性串扰：不需要的变压器的原线圈和次级线圈之间的信号耦合。感性耦合引发耦合电压。 PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 电容和电感的串扰随负载阻抗的增加而增加，因此所有易受串扰影响的线路都应当端接线路阻抗。,减少容性串扰的方法,分离
3、信号线路，可以减少信号线路间电容性耦合的能量。 利用地线分离信号线路，可以减少电容的耦合。为了提高有效性，地线应每隔/4英寸与地层连接。,波长是指信号在单位时间传送的距离。 一般原则：每2-5cm打过孔。,减少感性串扰的方法,为了解决电感的串扰问题，应当尽可能地减小环路的大小。 通过避免信号返回线路共享共同的路径这种情况，也可以减少电感串扰。,过冲和振荡,过冲(overshoot) 过冲能够引起假时钟或总线数据读/写错误。 振荡(ringing) 振荡的现象是反复出现过冲和下冲 信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振荡属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。 振荡可以通过适当的端接
4、予以减小，但不可能完全消除。,电流回流路径,低频信号 电流流经电阻最小的路径 高频信号 回流路径的电感远比其电阻重要，高频电流流经电感最小的路径，而非电阻最小的路径。最小电感回流路径正好在信号导线的下面，以减小流出和流入电流通路间的环路面积。,地电平面不完整引起的EMI,地电平面的不完整会引起大的EMI,提纲,引言 高速PCB设计中可能存在的问题 高速PCB设计一般规范 测试技术电磁干扰扫描,器件的选择,尽可能选择Tr大的器件：CMOS4000HCAC 选择低辐射的器件 ACQ，ACTQ AC，ACT 相同功能的器件，有的厂家是低辐射设计的 采用低电压供电：减少辐射，增加敏感性找折中 输出驱动
5、能力不要大于实际要求 相同功能的器件的EMC特性有很大差异 同一厂家的不同批次的产品 不同厂家的系统型号的产品 相同功能不同封装的产品 绝对不要使用可编程器件作看门狗电路或者电源监视电路,电源供电线,用旁路电容限制电路板上交流电流的泄漏 在电源线上串接共模扼流圈以抑制流经线中的共模电流 布线靠近，减少磁辐射面积 将电源线用金属屏蔽体盖住，其每端都接至机箱地,排状电缆,地线应该尽可能均匀分布于信号线中间 仅可能放在电路板的旁边避免地/平面不完整,PCB分层考虑,元件面、焊接面：敏感信号线 方便调测，易于控制 第二层、倒数第二层：地电源层 保证元件面和焊接面敏感信号线的SI。 没有电源/地平面隔离
6、的两个信号层的信号走向尽可能的垂直。,电源分割,多电源环境下，不能每种电源一层，尽可能减少不同电压电源层相互覆盖。,电源层分割实例,图示为一个电源层，用不同颜色代表不同电压,高频时钟,高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）必须有地线护送。 时钟的线宽至少10mil，护送地线的线宽至少20mil，地线两端必需由过孔与地层相连，且每5cm左右要打过孔与地层相连。 发送侧串接22220欧姆阻尼电阻，电阻越大干扰越小，但是敏感性变差。 采用点对点连接，不打过孔，走线平滑。,数字总线,频率在50MHz以上的高频数字总线，应尽可能考虑总线中的每条信号线均串接一个22-300欧姆左右的阻尼电阻 频率在75MHz
7、以上时，必须串接阻尼电阻。阻尼电阻必须放在发送侧并尽可能靠近发送器件。 尽可能在元件面 / 焊接面布，不打过孔。 连接至xxRAM的数据线的次序可以根据布线需要打乱。 具有很强的电磁辐射！敏感信号应远离！,大功率器件,器件的安装面敷铜，隔离器件和PCB的布线 散热器与器件绝缘，并接地（高速器件应远离导体和电缆线，散热器是导体，减少串扰）,屏蔽问题,每层四周尽可能用地线包围（地线宽度至少为电源层和地层距离的三倍），均匀打过孔，起到屏蔽作用。并避免地环；且环的开口要避开机箱的通风孔，Port口等。 元件面及焊接面尽可能用地填充，均匀打过孔，起到屏蔽作用。 有Port口的位置的地填充要单点与系统地相
8、连；且地填充要通过螺丝孔、Port口挡板与整机外壳良好电接触。 在晶振时钟芯片下加地敷铜防止串扰,布线,线改向时只走钝角或圆弧。 过孔避免紧排成线状，以防意外分割电源地层。 高频及低电平模拟信号线要走靠地层 模拟信号的高低电平信号线要分别走在电源或地层的两侧 振荡器、时钟分配器和散热片铜箔内不可走线 高频线要远离输入输出口1/10 英寸以上，如实际限制则采用地或电源线屛蔽,拐弯小于90,连续过孔导致地电平面不完整,过孔,过孔的孔径不可小于15mil 过孔的ANNULAR RING 一般为12mil左右,除特殊情况外不得少于5mil。 过孔与SMT元件的PAD间距一般要大于5mil，特殊情况下(
9、如高频滤波电容)过孔与SMT元件的PAD间距小于规则时要保证过孔敷阻焊层;如需将过孔置于SMT元件的PAD上时要有PCB厂商的代填过孔及品质保证。,TTL与ECL混合系统,TTL与ECL信号线保持一定距离，8倍于线离地平面的高度，减少直接串扰 电源分割，用磁珠连接 接口信号采用差分信号,数模混合电路数字地和模拟地,不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。 在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。,数字地和模拟地分割,如果一定要采用分割的地，则要建立“地连接桥”。,一般建议使用统一“地”,将PCB分区为模拟部分和数字部分。保证数
10、字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。 模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线 数字信号在数字电路区内布线。,A/D转换器跨区放置,混合信号PCB设计注意事项,1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。 2.合适的元器件布局。 3.A/D转换器跨分区放置。 4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。 5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线；模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。 6.实现模拟和数字电源分割。 7.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。 8.分析返回地电流实际流过的路径和方式。 9
11、.采用正确的布线规则。,？,设计能全部按照设计规则执行吗？ 所有的理论在所有场合都正确吗？ 很多观点还在争议 不同的案例不同的效果 能分析透电流回流吗？ 能分析出电磁辐射吗？,仿真技术的局限性,目前仿真技术还有很多限制 数字电路的仿真模型：IBIS模型 不完整、不准确 模拟电路的仿真模型：SPICE模型 IC厂家基本上不提供 EMC仿真 需要所有器件的SPICE模型PCB级仿真不准确 系统仿真不现实 精度与速度 仿真技术不能解决所有问题，需要测试,屏蔽与电磁辐射,有利于通过EMC，但是会恶化内部串扰 电路机箱的EMC仿真技术 不成熟,屏蔽与敏感性,几乎所有设备都有接插件连接其他设备而受到其他干
12、扰的影响！ 设备敏感性问题？目前没有敏感性的仿真技术！,测试技术,电磁干扰扫描技术,内容：传导和辐射的干扰和抗干扰 不足：无法定位干扰的源头，无法确定抗扰度的关键点,原因：因为是基于远场的测试无法定位,远场测试及不足,电磁波的组成,电波是由交变的电场和磁场组成,在靠近辐射源的位置磁场分量为主,电磁波各分量与距离的关系,近（磁）场扫描,大部分PCB的活性近场区域中的能量被包含在近磁场中 大电流低电压的源（电流源）主要与磁场关联，而高电压小电流的源（电压源）则主要与电场关联。 在PCB上，电路的输入阻抗以及布线的阻抗低。这种低阻抗设计使得这些元器件产生大电流和低电压的变化。 使用更低电压差的逻辑器
13、件 活性近场区域内的磁场的波阻抗远小于电场的波阻抗,仅靠远场为瞎子摸象，需频繁的进出昂贵的暗室 只有近场才可以精确定位 定位之后只需简单的电路原理技巧就可解决EMC问题 当确定了EMC问题的关键点之后，EMC就不会成为产品设计中的障碍,解决EMC问题还是要靠近场,测试技术,示波器检查信号完整性 “示场器”检查电磁辐射情况 手工测量 手持探头，用频谱分析仪测量 单探头自动测量 利用一个机械传动机构移动探头，用频谱分析仪进行采样 多探头自动测量 阵列探头，不能使用频谱分析仪进行采样（GPIB传输速度）,紧密接近测量方法,电磁辐射是DUT上的高频电流回路形成的。 采用H场探头探测DUT上的电流。探头
14、尽可能接近DUT，可以检测由于高频电流发生变化而引起的电磁场的变化。,近场测量的意义,评估PCB设计质量的重要依据 看清电路内部的辐射干扰情况，有助于产品后续开发。 干扰的产生点、分布路径、内部结构或临近I/O模块间的耦合等、不同接地方式的效果、数模电路分开的效果、地平面/电源平面分割的效果。 电磁场的高速扫描系统还能揭示瞬态EMI问题 瞬态EMI问题在电磁兼容性测量中往往不会被检测到，但会影响产品的性能和可靠性 。,近场测量不仅仅适用于PCB,同样适用于机箱的屏蔽效果的评估和电缆的辐射分析,近场远场,近场结果不能评判产品是否符合EMC特性 近场远场 数学模型？ 已知类似PCB的EMC特性，就
15、能在产品开发早期对EMC特性进行比较可靠的评估，例如是否应该采用屏蔽手段等。 EMSCAN未来会推出近场模拟远场的软件功能模块（免费）,测试技术,电磁干扰敏感性测试技术,电磁敏感性测试技术,摸清设备的工作环境 用频谱分析仪，或者Emscan可以测量出设备工作环境下的电磁辐射成分 模拟工作环境 用信号发生器产生各类电磁场，并注入到设备中 高速扫描 用Emscan扫描电磁场分布情况 切断传播途径，解决敏感性问题,电磁干扰扫描在不同阶段的应用,设计阶段 串扰问题 电磁敏感性问题 抑制EMI 生产阶段 产品调试 产品优化，降低成本 质量检验阶段 功能检验的一部分 EMC测试,谢谢！,更多信息，请关注： ESD问题EMC设计问题高速电路设计规则高速EM扫描的应用案例,
