高速電路PCB中的散熱設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的速度和性能要求越來(lái)越高。在這種情況下，高速 PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)應(yīng)運(yùn)而生。高速 PCB 是一種專門設(shè)計(jì)用于高速信號(hào)傳輸?shù)碾娐钒?，它在現(xiàn)代電子設(shè)備中扮演著至關(guān)重要的角色。本文將詳細(xì)介紹高速 PCB 的概念、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求以及應(yīng)用領(lǐng)域。

電信號(hào)也有速度限制-光速，光速非常快?？紤]到1GHz 信號(hào)的周期為 1ns(1 納秒)，光的傳播速度約為 0.3 m/ns，即 30 cm/ns，意味著在 30 cm 長(zhǎng)的導(dǎo)體上，當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖在其開(kāi)始處生成時(shí)，1GHz 信號(hào)的第一個(gè)時(shí)鐘脈沖剛剛到達(dá)導(dǎo)體的另一端。

假設(shè)為 3GHz，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到達(dá)導(dǎo)體的另一端時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)源已經(jīng)生成第三個(gè)脈沖，如果是 3GHz，30cm 導(dǎo)體，意味著單個(gè) 30cm 導(dǎo)體在其長(zhǎng)度內(nèi)包含3 個(gè)脈沖、3 個(gè)高狀態(tài)和低狀態(tài)。

數(shù)字電路的原理圖中，數(shù)字信號(hào)的傳播是從一個(gè)邏輯門向另一個(gè)邏輯門，信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線從輸出端送到接收端，看起來(lái)似乎是單向流動(dòng)的，許多數(shù)字工程師因此認(rèn)為回路通路是不相關(guān)的，畢竟，驅(qū)動(dòng)器和接收器都指定為電壓模式器件，為什么還要考慮電流呢!實(shí)際上，基本電路理論告訴我們，信號(hào)是由電流傳播的，明確的說(shuō)，是電子的運(yùn)動(dòng)，電子流的特性之一就是電子從不在任何地方停留，無(wú)論電流流到哪里，必然要回來(lái)，因此電流總是在環(huán)路中流動(dòng)，電路中任意的信號(hào)都以一個(gè)閉合回路的形式存在。對(duì)于高頻信號(hào)傳輸，實(shí)際上是對(duì)傳輸線與直流層之間包夾的介質(zhì)電容充電的過(guò)程。

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數(shù)字電路通常借助于地和電源平面來(lái)完成回流。高頻信號(hào)和低頻信號(hào)的回流通路是不相同的，低頻信號(hào)回流選擇阻抗最低路徑，高頻信號(hào)回流選擇感抗最低的路徑。

當(dāng)電流從信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器出發(fā)，流經(jīng)信號(hào)線，注入信號(hào)的接收端，總有一個(gè)與之方向相反的返回電流：從負(fù)載的地引腳出發(fā)，經(jīng)過(guò)敷銅平面，流向信號(hào)源，與流經(jīng)信號(hào)線上的電流構(gòu)成閉合回路。這種流經(jīng)敷銅平面的電流所引起的噪聲頻率與信號(hào)頻率相當(dāng)，信號(hào)頻率越高，噪聲頻率越高。邏輯門不是對(duì)絕對(duì)的輸入信號(hào)響應(yīng)，而是對(duì)輸入信號(hào)和參考引腳間的差異進(jìn)行響應(yīng)。單點(diǎn)終結(jié)的電路對(duì)引入信號(hào)和其邏輯地參考平面的差異做出反應(yīng)，因此地參考平面上的擾動(dòng)和信號(hào)路徑上的干擾是同樣重要的。邏輯門對(duì)輸入引腳和指定的參考引腳進(jìn)行響應(yīng)，我們也不清楚到底哪個(gè)是所指定的參考引腳(對(duì)于TTL，通常是負(fù)電源，對(duì)于ECL通常是正電源，但是并不是全都如此)，就這個(gè)性質(zhì)而言，差分信號(hào)的抗干擾能力就能對(duì)地彈噪聲和電源平面滑動(dòng)具有良好的效果。當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號(hào)同步進(jìn)行切換時(shí)(如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等)，這就引起瞬態(tài)負(fù)載電流從電源流入電路或由電路流入地線，由于電源線和地線上存在阻抗，會(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲(SSN)，在地線上還會(huì)出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡(jiǎn)稱地彈)。而當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們對(duì)數(shù)字芯片的切換狀態(tài)進(jìn)行分析，采取措施控制回流方式，達(dá)到減小環(huán)繞區(qū)域，輻射程度最小的目的。下圖比較經(jīng)典說(shuō)明回路的情況：對(duì)于借用其它平面做回流的情況，最好能在信號(hào)兩端適當(dāng)增加幾個(gè)小電容到地，提供一個(gè)回流通路。但這種做法往往難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻K端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據(jù)了?；亓髟肼暿菂⒖计矫嫔系脑肼曋饕膩?lái)源之一。因此需要注意返回電流的路徑和流經(jīng)范圍。03

下圖中是印制板中的一條線路，在導(dǎo)線上有電流通過(guò)，通常，我們只看到了敷在表面的用于傳輸信號(hào)的導(dǎo)線，從驅(qū)動(dòng)端到接收端，實(shí)際上，電流總是在環(huán)路上才能流動(dòng)，傳輸線是我們可以看到的，而電流回流的途徑通常是不可見(jiàn)的，他們通常借助于地平面和電源平面流回來(lái)，由于沒(méi)有物理線路，回路途徑變得難于估計(jì)，要對(duì)他們進(jìn)行控制有一定的難度。

如圖3.1所示， PCB板上每條導(dǎo)線和其回路構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，根據(jù)電磁輻射原理，當(dāng)突變的電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，將在空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并對(duì)其他導(dǎo)線造成影響，這就是我們通常所說(shuō)的輻射，為了減少輻射的影響，首先應(yīng)該了解輻射的基本原理和與輻射強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)。圖3.1 印制板上的差模輻射這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場(chǎng)。我們用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來(lái)模擬它，設(shè)電流為I,面積為S的小環(huán)，在自由空間為r的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度為：E――電場(chǎng)(V/m)

f――頻率(Hz )

S――面積( m^2)

I――電流(A)

r――距離(m)

式3.1適用于放置在自由空間且表面無(wú)反射的小環(huán)，實(shí)際上我們的產(chǎn)品是在地面進(jìn)行而非自由空間，附近地面的反射會(huì)使測(cè)得的輻射增加6dB，考慮到這一點(diǎn)，式3.1必須乘2，如果對(duì)地面反射加以修正并假設(shè)為最大輻射方向，則式3.1為由式3.2知，輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比。

印刷電路板中返回電流的路徑是與電流的頻率密切相關(guān)的。根據(jù)電路基本知識(shí)，直流或低頻電流總是流向阻抗最小的方向;而高頻的電流在電阻一定的情況下，總是流向感抗最小的方向。如果不考慮過(guò)孔在敷銅平面上形成的孔、溝的影響，阻抗最小的路徑，也就是低頻電流的路徑，是由地敷銅平面上的弧形線組成，如圖3.2。每根弧線上的電流的密度與此弧線上的電阻率有關(guān)。圖3.2 PCB敷銅平面上高頻電流路徑對(duì)傳輸線來(lái)說(shuō)，感抗最小的返回路徑，也就是高頻電流返回路徑，就在信號(hào)布線的正下方的敷銅平面上，如圖3.3。這樣的返回路徑使得整個(gè)回路包圍的空間面積最小，也就使得此信號(hào)形成的環(huán)形天線向空間輻射的磁場(chǎng)強(qiáng)度(或接收空間輻射的能力)最小。

對(duì)于比較長(zhǎng)、直的布線，可以看作理想的傳輸線。在其上傳播的信號(hào)返回電流流經(jīng)范圍是以信號(hào)布線為中心軸的帶狀區(qū)域，距離信號(hào)布線中心軸距離越遠(yuǎn)，電流密度越小，如圖3.3。這一關(guān)系近似滿足式3.3 [4]：式3.3其中， I(D)為原始信號(hào)電流，單位為“A，安培”;D為信號(hào)布線與敷銅平面的距離，單位為“in.，英寸”;H為敷銅平面上的點(diǎn)到信號(hào)線的垂直距離，單位為“in.，英寸”;D/H是這一點(diǎn)上的電流密度，單位為“A/in.，安培每英寸”。圖3.3 傳輸線返回電流密度分布圖根據(jù)式3.3，表3.1列出了流經(jīng)以傳輸線中心為中心，寬度為 的帶狀區(qū)域內(nèi)的返回電流占所有返回電流的百分比。假設(shè)英寸，則經(jīng)過(guò)距離傳輸線0.035英寸以外的區(qū)域返回的電流只占所有返回電流的13%，具體分到傳輸線的一側(cè)只有6.5%，而且密度很小。因此可以忽略不計(jì)。小結(jié)：1.當(dāng)信號(hào)布線下方具有連續(xù)、致密、完整的敷銅平面時(shí)，信號(hào)返回電流對(duì)敷銅平面的噪聲干擾是局部的。因此，只要遵循布局、布線局部化的原則，即人為地拉開(kāi)數(shù)字信號(hào)線、數(shù)字器件與模擬信號(hào)線、模擬器件之間的距離到一定程度，可以大幅度降低數(shù)字信號(hào)返回電流對(duì)模擬電路的干擾。2.高頻瞬態(tài)返回電流，經(jīng)由與信號(hào)走線緊鄰的平面(地平面或電源平面)回流到驅(qū)動(dòng)端。驅(qū)動(dòng)器信號(hào)走線的終端負(fù)載，跨接在信號(hào)走線和與信號(hào)走線緊鄰的平面(地平面或電源平面)之間。3.當(dāng)印制板上的電源線和接地線的環(huán)繞區(qū)域越大時(shí)，它們的輻射能量也就越大，因此，我們通過(guò)控制回流路徑，可以使得環(huán)繞區(qū)域最小，從而控制輻射程度。

高速pcb與一般pcb之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在信號(hào)處理的復(fù)雜性、設(shè)計(jì)要求、材料特性以及應(yīng)用場(chǎng)景等多個(gè)方面。

從信號(hào)處理的角度來(lái)看，高速PCB主要用于處理高頻、高速的信號(hào)，其工作頻率遠(yuǎn)高于一般PCB。因此，高速PCB在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，需要特別關(guān)注信號(hào)的完整性和時(shí)鐘同步，以確保信號(hào)在高速傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這涉及到一系列復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，如查分信號(hào)布線、阻抗控制和屏蔽技術(shù)等。

設(shè)計(jì)要求方面，高速PCB對(duì)布線規(guī)則和層次規(guī)劃的要求更為嚴(yán)格。由于高速信號(hào)的傳輸需要更小的線寬和間距，以減少信號(hào)的傳播延遲和交叉干擾，高速PCB的布線規(guī)則相較于一般PCB更為復(fù)雜。此外，高速PCB還需要考慮信號(hào)層和電源層的規(guī)劃，以減少信號(hào)串?dāng)_和地面回流路徑。

在材料特性方面，高速PCB通常采用低介電常數(shù)和低損耗材料，這些材料能夠有效減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的能量損耗，保證信號(hào)在高速傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性和完整性。而一般PCB對(duì)材料的要求則相對(duì)較低。

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，高速PCB廣泛應(yīng)用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的領(lǐng)域，如通信設(shè)備、服務(wù)器、高速計(jì)算等。而一般PCB則更多應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品中，如電視、手機(jī)、電腦等。

高速PCB設(shè)計(jì)是現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著科技的不斷發(fā)展，大量的高速電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如通信、計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制等。在這些設(shè)備中，高速PCB的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它直接影響到設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下六個(gè)方面。

首先，電磁兼容性是高速PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。高速信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的電磁輻射和敏感度，可能對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，在高速PCB設(shè)計(jì)中，需要采取一系列的措施來(lái)減小電磁干擾。例如，合理布局和屏蔽敏感的元器件，使用合適的地線和電源線等。

其次，信號(hào)完整性也是高速PCB設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素。在高速信號(hào)傳輸過(guò)程中，可能會(huì)受到多種因素的影響，如傳輸線的阻抗匹配、信號(hào)的串?dāng)_等。因此，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)確保信號(hào)的完整性，如使用合適的傳輸線、加入阻抗匹配器等。

第三，地線設(shè)計(jì)是高速PCB設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)方面。地線在高速信號(hào)傳輸中起到了至關(guān)重要的作用，能夠提供良好的信號(hào)參考和回流路徑。因此，在高速PCB設(shè)計(jì)中，需要合理設(shè)計(jì)地線的位置和布局，以減少信號(hào)的串?dāng)_和電磁輻射。

第四，電源設(shè)計(jì)也是高速PCB設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素。電源的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在高速PCB設(shè)計(jì)中，需要合理布局和連接電源，以確保充足的電流供應(yīng)和低噪聲電源。

第五，散熱設(shè)計(jì)是高速PCB設(shè)計(jì)中需要考慮的另一個(gè)重要因素。高速電子設(shè)備通常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能有效散熱，可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至損壞。因此，在高速PCB設(shè)計(jì)中，需要合理設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)和散熱通道，以保證設(shè)備的正常工作。

最后，可靠性和可維護(hù)性是高速PCB設(shè)計(jì)中需要考慮的最重要的因素之一。高速電子設(shè)備通常需要工作在苛刻的環(huán)境條件下，如高溫、濕度、震動(dòng)等。因此，在高速PCB設(shè)計(jì)中，需要采用可靠的材料和組件，并保證可維護(hù)性，以提高設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性。

高速PCB設(shè)計(jì)考慮的六個(gè)方面包括電磁兼容性、信號(hào)完整性、地線設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、可靠性和可維護(hù)性。在進(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施，以確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。通過(guò)合理的高速PCB設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)備的性能和可靠性，并滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)高速傳輸?shù)囊蟆?

高速PCB的特點(diǎn)主要包括：

高速PCB在信號(hào)處理、設(shè)計(jì)要求、材料特性以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面都展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著科技的不斷發(fā)展，高速PCB將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，推動(dòng)電子設(shè)備的性能不斷提升。