高速PCB設(shè)計(jì)中網(wǎng)格中添加過孔如何避免熱點(diǎn)

一、信號(hào)走線下方添加公共接地層

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在信號(hào)走線下方添加一個(gè)公共接地層，這樣可以確保PCB中任意2個(gè)接地點(diǎn)之間的阻抗最小。

當(dāng)靠近地平面的外層用于安裝高速組件時(shí)，如果用微帶線或者共面線的RF組件，另一側(cè)安裝不太重要的組件。第二個(gè)內(nèi)層用于電源平面，電源平面盡可能大，這樣可以降低阻抗。

4層PCB結(jié)構(gòu)

如果想要降低成本，那最好的就是雙面PCB，這個(gè)時(shí)候就是通過大量過孔互連的走線兩側(cè)添加地平面，如果下圖所示。

顯示拼接接地層的過孔的PCB

在單點(diǎn)互連的邏輯和模擬組件設(shè)置隔離的接地平面可以降低接地平面的噪聲。這樣的話就需要將一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的走線都排在互聯(lián)點(diǎn)的上方。如下圖所示。如果不這樣的話，就可以添加天線，發(fā)送或者接收雜散信號(hào)。建議使用完整的單一接地。

返回電流回路

二、在網(wǎng)格中添加過孔來避免熱點(diǎn)

信號(hào)過孔會(huì)在電源層和接地層中產(chǎn)生空隙。過孔定位不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生電流密度增加的平面區(qū)域，這些區(qū)域稱為熱點(diǎn)。

必須要避免這些熱點(diǎn)，最好的解決方法是如下圖所示，將過孔放置在網(wǎng)格中，并在過孔之間留出足夠的空間供電源層通過，過孔間隔15密耳。

以網(wǎng)格圖案布線過孔以避免熱點(diǎn)

三、在路由高速信號(hào)，135°走線彎曲而不是90°

在路由高速信號(hào)時(shí)，彎曲應(yīng)保持最小。如果需要彎曲，建議135°而不是90°。如下圖(右側(cè))所示，在九十°時(shí)，不能保證順利的PCB蝕刻。此外非常高速的鋒利邊緣充當(dāng)天線。

保持135°彎曲而不是90°

為了達(dá)到特特定的走線長度，需要蛇形走線。如下圖所示，同一走線中相鄰銅之間的最小距離必須保持為走線寬度的4倍，每段彎曲應(yīng)為走線寬度的1.5倍。

保持彎曲處的最小距離和線段長度

四、增加瓶頸區(qū)域外的信號(hào)之間的距離以避免串?dāng)_

走線之間應(yīng)該保持最小距離，最大程度地減少串?dāng)_。串?dāng)_水平取決于兩條走線的長度和距離。在某些區(qū)域，走線的布線達(dá)到了走線比預(yù)期更近的瓶頸。這個(gè)時(shí)候就需要增加額外信號(hào)之間的距離。也就是滿足最低要求，間距也可以再增加一點(diǎn)。

盡可能增加走線之間的間距

五、增加菊花鏈路來保持信號(hào)完整性，避免長存根走線

長短截線可能充當(dāng)天線，從而增加符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的問題。存根走線還會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性產(chǎn)生負(fù)面影響的反射。高速信號(hào)上的上拉或下拉電阻是存根的常見來源。如果需要此類電阻，就需要此類電阻將信號(hào)路由為菊花鏈。如下圖所示：

通過實(shí)施菊花路由避免存根跟蹤

六、不要在差分對(duì)之間放置組件或者過孔

將高速差分對(duì)互相平行布線時(shí)，它們之間應(yīng)該保持恒定距離。這個(gè)距離有助于實(shí)現(xiàn)指定的差分阻抗。因盡量減少因焊盤入口而擴(kuò)大指定間距的區(qū)域，差分對(duì)應(yīng)對(duì)稱布線。

對(duì)稱布置差分對(duì)并保持信號(hào)平行

在設(shè)計(jì)的時(shí)候不應(yīng)該在差分對(duì)之間放置任何組件或過孔。即使信號(hào)如下圖所示對(duì)稱布線。在差分對(duì)之間放置元件和過孔可能會(huì)導(dǎo)致EMC問題和阻抗不連續(xù)。

不要在差分之間放置組件或者過孔

一些高速差分對(duì)需要串聯(lián)耦合電容，容應(yīng)對(duì)稱放置。電容和焊盤產(chǎn)生阻抗不連續(xù)性。0402電容尺寸0603。必須避免使用0805或C型等封裝較大的封裝。

對(duì)稱放置耦合電容

由于過孔在阻抗中引入了巨大的不連續(xù)性，因此必須減少過孔的數(shù)量并且應(yīng)該對(duì)稱放置。

對(duì)稱放置過孔

布線差分對(duì)時(shí)，2條走線布線應(yīng)該在同一層，以滿足阻抗要求。如下圖所示，此外，走線中應(yīng)包含相同數(shù)量的過來。

在同一層布線對(duì)并放置相同數(shù)量的過孔

七、結(jié)合長度匹配以實(shí)現(xiàn)正信號(hào)和負(fù)信號(hào)之間的緊密延遲偏差

高速接口對(duì)到達(dá)目的地的時(shí)間有額外的要求，稱為不同走線和信號(hào)對(duì)之間的時(shí)鐘偏差。例如，在高速并行總線中，所有數(shù)據(jù)信號(hào)都需要在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)達(dá)到，以滿足接收器的建立和保持時(shí)間要求。

差分對(duì)信號(hào)要求正負(fù)信號(hào)走線之間的延遲偏差非常小。因此，使用蛇紋石來補(bǔ)償任何長度差異，必須要仔細(xì)設(shè)計(jì)蛇形走線的幾何形狀，如下圖，減少阻抗不連續(xù)性。

使用推薦的蛇形走線幾何結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該將蛇形走線放置在長度不匹配的根部。這確保正負(fù)信號(hào)分量通過連接到同步傳播，如下圖所示：

將長度校正添加到源的不匹配點(diǎn)

彎曲通常時(shí)長度不匹配的來源，補(bǔ)償器應(yīng)該非?？拷鼜澢幏胖茫畲缶嚯x為15mm，如下圖所示：

將長度補(bǔ)償靠近彎曲處放置

通常2個(gè)彎曲處相互補(bǔ)償，如果彎曲小于15mm，則不需要使用蛇紋石進(jìn)行額外補(bǔ)償。信號(hào)的異步傳輸距離不應(yīng)超過5mm。

彎曲可以相互補(bǔ)

差分對(duì)連接的每個(gè)階段中的失配應(yīng)單獨(dú)匹配。在下圖中，過孔將差分對(duì)分成2段，此處需要單獨(dú)補(bǔ)償彎曲。這樣確保了正信號(hào)和負(fù)信號(hào)通過過孔同步傳播。

應(yīng)在每個(gè)段中補(bǔ)償長度差異

PCB各層的信號(hào)速度并不相同，由于很難找出差異，如果需要匹配，最好在同一層走線。

同一接口內(nèi)的線對(duì)最好在同一層布線

在下圖中，電容焊盤內(nèi)部的走線長度不等。即使信號(hào)不使用內(nèi)部走線。一些CAD 工具也會(huì)將其視為長度計(jì)算的一部分，并顯示正信號(hào)和負(fù)信號(hào)之間的長度差。為了盡量減少這種情況，確保2個(gè)信號(hào)的焊盤入口相等。

需要注意一些CAD工具中遇到的長度計(jì)算問題

如下圖所示，首選差分對(duì)信號(hào)的非對(duì)稱分流，盡可能避免蛇形走線。

差分對(duì)的對(duì)稱突破

如果焊盤之間有足夠的空間，則可以為較短的走線包含小環(huán)而不是蛇形走線，過孔優(yōu)于蛇形走線。

差分對(duì)的首選分線

八、不要在分割平面上路由信號(hào)

不正確的信號(hào)返回會(huì)導(dǎo)致噪聲耦合和EMI問題。設(shè)計(jì)人員在路由信號(hào)時(shí)應(yīng)始終考慮信號(hào)返回路徑。電源軌和低速信號(hào)采用最短返回電流路徑。

如下圖所示，與此相反，高速信號(hào)的返回電流試圖跟隨信號(hào)路徑。

在高速PCB中，返回電流試圖跟隨信號(hào)路徑

不應(yīng)在分離平面上路由信號(hào)，因?yàn)榉祷芈窂綗o法跟隨信號(hào)走線。如下圖，如果一個(gè)平面在接收器和源之間分開，就需要圍繞它布線信號(hào)走線，如果信號(hào)的前向和返回路徑是分開的，則它們之間的區(qū)域?qū)⒊洚?dāng)環(huán)形天線。

如果需要在2個(gè)不同的參考平面上路由信號(hào)，則應(yīng)加入拼接電容。拼接電容使返回電流能夠從一個(gè)參考平面?zhèn)鬏數(shù)搅硪粋€(gè)參考平面。電容應(yīng)該靠近信號(hào)路徑放置，以便正向路徑和返回i路徑之間的距離較小。通常拼接電容的之在10nF和100nF之間。

在分割平面上放置拼接電容

一般情況下，必須避開平面障礙物和平面槽。如果需要繞過此類障礙物，就需要入下所示使用拼接電容。

在平面障礙物上布線時(shí)合并的拼接電容

設(shè)計(jì)人員在布線高速信號(hào)時(shí)應(yīng)注意參考平面中的空洞。如下圖所示，當(dāng)獎(jiǎng)過孔靠近放置時(shí)，參考平面中會(huì)產(chǎn)生空洞。應(yīng)該通過確保過孔之間有足夠的間隙來避免較大的空隙區(qū)域。最好放置較少的接地和電源過孔，以減過孔間隙。

避免過孔平面空隙

返回路徑在信號(hào)的源和接收器處。在下圖中，左側(cè)的設(shè)計(jì)被認(rèn)為是不好的設(shè)計(jì)。由于原籍側(cè)只有一個(gè)接地過孔，因此返回電流無法預(yù)期返回參考接地平面。返回路徑是存在于頂層的接地連接。

現(xiàn)在的問題是信號(hào)走線的阻抗是根據(jù)接地平面而不是頂層的接地走線計(jì)算的。因此，必須在信號(hào)的源端和匯端放置接地過孔，允許返回電流返回接地平面。如下圖右側(cè)所示。

放置接地過孔時(shí)應(yīng)考慮返回路徑

當(dāng)電源平面被視為信號(hào)的參考時(shí)，信號(hào)應(yīng)該通過電源平面?zhèn)鬏敾厝?，信?hào)以源和匯中的地為參考。要將參考切換到電源層，應(yīng)在灌電流和源電流處加入拼接電容。

如果接收器和源使用相同的電源軌供電，那么旁路電容可以用作拼接電容。如果靠近信號(hào)開始/出口點(diǎn)放置。如下圖所示，拼接電容的理想值介于10nF和100nF之間。

使用電源平面作為參考時(shí)使用拼接電容

當(dāng)差分信號(hào)切換一層時(shí)，參考地平面也會(huì)切換。因此，在靠近層變化過孔的位置添加拼接過孔。如下圖所示，允許返回電流改變接地層，處理差分信號(hào)時(shí)，開關(guān)接地過孔對(duì)應(yīng)對(duì)稱放置。

當(dāng)信號(hào)改變接地參考時(shí)使用拼接電容

當(dāng)信號(hào)切換到具有不同參考平面的不同層時(shí)，應(yīng)實(shí)施拼接電容。這允許返回電流通過拼接電容從地流向電環(huán)層，如下圖所示，此外，當(dāng)考慮差分對(duì)時(shí)，拼接電容的放置和布線應(yīng)該是對(duì)稱的。

當(dāng)信號(hào)參考平面發(fā)生變化時(shí)加入拼接電容

設(shè)計(jì)的時(shí)候，不應(yīng)該在參考平面的邊緣或靠近PCB邊界的地方布線高速信號(hào)，這回對(duì)走線阻抗產(chǎn)生不利影響。

九、分離模擬和數(shù)字地平面降低噪聲

定義單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地部分可以在原理圖中輕松確定哪些組件和引腳應(yīng)連接到數(shù)字地部分，哪些組件和引腳應(yīng)連接到模擬接地部分。這類型的設(shè)計(jì)可以通過放置2個(gè)不同的地平面作為參考來布線。

兩個(gè)平面應(yīng)準(zhǔn)確放置，數(shù)字和模擬組件應(yīng)放置在相應(yīng)部分下方，如下圖所示。

需要謹(jǐn)慎進(jìn)行電源平面拆分

混合信號(hào)電路需要在單點(diǎn)連接模擬地和數(shù)字地。在原理圖，還是建議在模擬和數(shù)字部分之間放置鐵氧體磁珠或0Ω電阻。

數(shù)字地和模擬地的合并應(yīng)靠近集成電路放置。在具有分離平面的混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，數(shù)字信號(hào)不應(yīng)該通過模擬接地平面布線，模擬信號(hào)不應(yīng)該通過數(shù)字地平面布線。

數(shù)字信號(hào)不應(yīng)該穿過模擬地平面

十、在模擬地和數(shù)字地之間虛擬第劃分布局

在虛擬分割中中，模擬地和數(shù)字地在原理圖中沒有分開。此外，2個(gè)接地域在布局中也沒有電氣分離。在實(shí)際布局時(shí)是分開的，即在模擬地和數(shù)字地繪制了一個(gè)假想的分割線。這里應(yīng)該仔細(xì)考慮虛擬分割平面的正確一側(cè)來放置組件。

應(yīng)使用虛擬平面分割仔細(xì)放置組件

在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該牢記2個(gè)地之間的虛線。數(shù)字和模擬信號(hào)走線不允許越過虛擬分割線。虛擬分割線不應(yīng)具有復(fù)雜的形狀。因?yàn)闆]有平面障礙物來保模擬和數(shù)字返回電流分離。

十一、組件的寬度接近走線寬度，可以實(shí)現(xiàn)最佳高速性能

PCB設(shè)計(jì)從原理圖開始，特別是元件的選擇，SMD是首選，因?yàn)楦〉脑痰膶?dǎo)線帶來更穩(wěn)定的高速性能。

如果組件的寬度接近走線寬度，就可以實(shí)現(xiàn)最佳的高速性能。這有利于降低走線和元件焊盤之間的阻抗匹配問題。

源布局布線

數(shù)字電路很多時(shí)候需要的電流是不連續(xù)的，所以對(duì)一些高速器件就會(huì)產(chǎn)生浪涌電流。如果電源走線很長，則由于浪涌電流的存在進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致高頻噪聲，而此高頻噪聲會(huì)引入到其他信號(hào)中去。而在高速電路中必然會(huì)存在寄生電感和寄生電阻以及寄生電容，因此該高頻噪聲最終會(huì)耦合到其他電路當(dāng)中，而由于寄生電感的存在也會(huì)導(dǎo)致走線可以承受的最大浪涌電流的能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致有部分壓降，有可能會(huì)使電路失能。所以在數(shù)字器件前面加上旁路電容就顯得尤為重要。電容越大，其在傳輸能量上是受限于傳輸速率的，所以一般會(huì)結(jié)合一個(gè)大電容和一個(gè)小電容一起，來滿足全頻率范圍內(nèi)。

避免熱點(diǎn)產(chǎn)生：信號(hào)過孔會(huì)在電源層和底層產(chǎn)生voids。所以不合理的放置過孔很有可能會(huì)使電源或者地平面某些區(qū)域的電流密度增加。而這些電流密度增加的地方我們稱之為熱點(diǎn)。

所以，我們在設(shè)置過孔的時(shí)候要極力避免這種情況發(fā)生，以免平面被割裂，最終導(dǎo)致EMC的問題產(chǎn)生。通常最好的避免熱點(diǎn)的辦法就是網(wǎng)狀式的放置過孔，如此電流密度均勻，同時(shí)平面不會(huì)隔離，回流路徑就不會(huì)過長，也就不會(huì)產(chǎn)生EMC的問題。

走線的彎曲方式

在布高速信號(hào)線時(shí)，信號(hào)線應(yīng)盡量避免彎曲。如果不得不彎曲走線，則不要銳角或者直角走線，而是應(yīng)該用鈍角走線。

在布高速信號(hào)線時(shí)，我們經(jīng)常通過走蛇形線來實(shí)現(xiàn)等長，同樣的蛇形線也其實(shí)一種走線的彎曲。線寬，間距，以及彎曲方式都應(yīng)該做合理的選擇，間距應(yīng)滿足4W/1.5W規(guī)則的。

信號(hào)的接近度

高速信號(hào)線之間如果距離太近，很容易產(chǎn)生串?dāng)_。有些時(shí)候，因?yàn)椴季帧蹇虺叽绲仍?，?dǎo)致我們在布高速信號(hào)線之間的距離超過了我們的最低要求距離，那我們只能在靠近其瓶頸的地方盡量加大高速信號(hào)線之間的距離。其實(shí)如果空間足夠容許，則盡量加大兩高速信號(hào)線之間的距離。