【高速PCB电路设计】1.高速PCB设计概述

一、概述

1.什么是高速电路？

• 一般认为：高速电路频率≥50MHz且这部分频率电路达到1/3。
• 客观的讲：考虑到上升下降沿及延迟，当信号的传输路径大于1/6倍传输信号波长时，认为是高速信号。
• 因此，信号的传输延迟大于1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应，即为高速电路。

2.高速信号

• 一般地，信号上升时间的典型值可以通过器件手册得到，而信号的传播时间在PCB上由实际布线长度决定，PCB板上每英寸的传输延时约为0.167ns(约5~6inch/ns)。
• 如果过孔多，器件管脚多，信号线上设置的约束多，延迟增大。
• 通常高速逻辑器件的信号上升时间大约为0.2ns。

设Tr为信号上升时间，Tpd为信号线传播延时。如果：

• Tr>4Tpd，信号落在安全区域;
• 2Tpd ＜ Tr ≤ 4Tpd，信号落在不确定区域;
• Tr ≤2Tpd，信号落在问题区域。

3.高速设计

• 电源滤波，均匀分配电源，降低系统噪声
• 匹配信号线，减少反射
• 降低走线间串扰
• 减小地弹效应
• 阻抗匹配
• … …

4.整体设计思路

• 对单板宏观整体了解
• 对硬件研发流程节点了解
• 对设计规范熟悉
• 能平衡SI、SI、EMC、成本、周期等要求

A、SI/PI/EMC设计指南
B、开关电源PCB设计指南
C、射频/模拟PCB设计指南
D、接口电路PCB设计指南
E、时钟电路PCB设计指南

高速PCB设计流程：

• 单板整体电路分析:对单板主要芯片方案、电源方案、主要总线、信号流向、电源树、接口类型、工艺方案、EMC方案等做整体了解和规划
• 预布局、前仿真分析:在综合考虑满足信号质量、EMC、热设计、DFM等方面的基础上，把主要器件合理的摆放到PCB上
• 布局布线:在满足信号质量、DFM、EMC等规则要求下，完成器件摆放和信号互连
• 后仿真验证:Sl仿真、PI仿真、热仿真
• 工艺评审:利用Valor等先进工具进行DFM

二、高速PCB叠层与阻抗设计

1.PCB层叠理论基础

• 信号线阻抗：介质厚度对阻抗影响大、尽量减小线宽、加大线距（3W原则），降低串扰
• 信号返回路径：
  -低速中，电流沿着最小电阻路径流动
  -高速中，电流沿着最小电感路径流动
• 电源、地平面：
  -为数字信号的转换提供稳定的参考电压
  -为所有的逻辑器件提供电源
  -控制信号之间的串扰
• 电源完整性要求：电源对地保持低阻抗，电源阻抗为
  
  -D为电源地平面间距，W为平面重叠的面积
• 平面隔离技术：推荐使用额外的地平面而不是电源平面来隔离布线

2.叠层设计原则

参考
PCB_3.PCB叠层
PCB_4.确定PCB层压

3.阻抗设计精度

• 阻抗精度要求一般在±10%，严格的±5%
• 控制阻抗的连续性比片面追求阻抗值更重要

4.PCB设计时带来的阻抗不连续

• 线宽突变
• 走线跨分割
• 过孔换层
• 分支结构
• 连接器器件管脚

三、高速PCB布局布线设计

1.布局思路

• 提前规划，绘制框图

• 预布局（可不受板框、DRC限制）
• 模块化布局
• 布局优化

2.布局设计规则

对规则熟悉且有书面条例进行检查对照。

3.Fanout（扇出）设计

QFN
模块调整时把扇出做好，扇出时保证布线通道（器件本体下，器件Pin下，空隙处）。

PIN间距0.5MM

• 单片时信号线尽量往外扇出，电源地尽量往里扇出，就近放置滤波电容
  
• 双片时正反对贴，共用电源、地孔，就近放置滤波电容
  

BGA

0.5BGA扇出，一阶HDI

• BGA可以使用自动fanout，后面再根据具体情况调整孔的位置;-由于阻抗控制关系，盲孔出来到埋孔的线应该尽量短。
• 0.5BGA扇出，盲孔尽量打在四个焊盘的中间；不要打在焊盘上，不然加工要做电镀填孔，难度成本大

0.4BGA扇出，一阶HDI。

• 0.4BGA的只能打在盘上。
  

4.布局思路

• 规则驱动设计
• 关键信号优先处理
• 整板布线
• 电源、地处理
• 等长绕线
• 布线优化

5.布线设计规则

对规则熟悉且有书面条例进行检查对照。

四、高速PCB仿真介绍

1．高速PCB仿真的目的

• 确定关键信号的链路阻抗
• 确定关键信号、总线的链路长度
• 确定阻抗匹配方案
• 确定总线拓扑结构
• 提前预估信号质量
• 确保硬件设计质量

2．高速PCB仿真流程

• 信息获取：了解信号类型、特征及相关要求，获取模型
• 规划评估：规划高速链路布线路径，估算最长最短的大致走线长度，预先选定几种板材，并获取相关参数
• 设计叠层：根据信号阻抗，单板空间和板厚，确定层数，计算差分阻抗，创建传输线模型
• 设计过孔：在满足设计和加工要求的情况下，确定过孔结构、回流孔、扫描频率或变量等参数，分析仿真结果，输出过孔模型
• 绘制原理图：根据规划，搭建串行链路原理图，设置相应参数
• 仿真分析：分析仿真结果，优化走线、过孔、均衡等参数

3．高速PCB仿真痛点和难点

• 仿真软件的使用比较复杂
• 许多器件的仿真模型很难获取
• 对SI的理论知识没有吃透
• 仿真软件的价格昂贵

4．高速PCB仿真应用

• 高速串行链路仿真（如PCIE）
  
• 高速并行链路仿真(DDR系统级验证)
• 电源仿真（分析确定载流宽度等）

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