福建專業(yè)PCB鋁基板在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗問題困擾著許多中國工程師。本文通過簡單而且直觀的方法介紹了特性阻抗的基本性質(zhì)、計(jì)算和測量方法。在高速設(shè)計(jì)中，可控阻抗板和線路的特性阻抗是最重要和最普遍的問題之一。PCB鋁基板生產(chǎn)廠首先了解一下傳輸線的定義：傳輸線由兩個(gè)具有一定長度的導(dǎo)體組成，一個(gè)導(dǎo)體用來發(fā)送信號，另一個(gè)用來接收信號(切記“回路”取代“地”的概念)。在一個(gè)多層板中，每一條線路都是傳輸線的組成部分，鄰近的參考平面可作為第二條線路或回路。一條線路成為“性能良好”傳輸線的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整個(gè)線路中保持恒定。線路板成為“可控阻抗板”的關(guān)鍵是使所有線路的特性阻抗?jié)M足一個(gè)規(guī)定值，通常在25歐姆和70歐姆之間。在多層線路板中，傳輸線性能良好的關(guān)鍵是使它的特性阻抗在整條線路中保持恒定。但是，究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最簡單的方法是看信號在傳輸中碰到了什么。當(dāng)沿著一條具有同樣橫截面?zhèn)鬏斁€移動時(shí)，這類似圖1所示的微波傳輸。假定把1伏特的電壓階梯波加到這條傳輸線中，如把1伏特的電池連接到傳輸線的前端(它位于發(fā)送線路和回路之間)，一旦連接，這個(gè)電壓波信號沿著該線以光速傳播，它的速度通常約為6英寸/納秒。當(dāng)然，這個(gè)信號確實(shí)是發(fā)送線路和回路之間的電壓差，它可以從發(fā)送線路的任何一點(diǎn)和回路的相臨點(diǎn)來衡量。圖2是該電壓信號的傳輸示意圖。Zen的方法是先“產(chǎn)生信號”，然后沿著這條傳輸線以6英寸/納秒的速度傳播。第Y個(gè)0.01納秒前進(jìn)了0.06英寸，這時(shí)發(fā)送線路有多余的正電荷，而回路有多余的負(fù)電荷，正是這兩種電荷差維持著這兩個(gè)導(dǎo)體之間的1伏電壓差，而這兩個(gè)導(dǎo)體又組成了一個(gè)電容器。在下一個(gè)0.01納秒中，又要將一段0.06英寸傳輸線的電壓從0調(diào)整到1伏特，這必須加一些正電荷到發(fā)送線路，而加一些負(fù)電荷到接收線路。每移動0.06英寸，必須把更多的正電荷加到發(fā)送線路，而把更多的負(fù)電荷加到回路。每隔0.01納秒，必須對傳輸線路的另外一段進(jìn)行充電，然后信號開始沿著這一段傳播。電荷來自傳輸線前端的電池，當(dāng)沿著這條線移動時(shí)，就給傳輸線的連續(xù)部分充電，因而在發(fā)送線路和回路之間形成了1伏特的電壓差。每前進(jìn)0.01納秒，就從電池中獲得一些電荷(±Q)，恒定的時(shí)間間隔(±t)內(nèi)從電池中流出的恒定電量(±Q)就是一種恒定電流。流入回路的負(fù)電流實(shí)際上與流出的正電流相等，而且正好在信號波的前端，交流電流通過上、下線路組成的電容，結(jié)束整個(gè)循環(huán)過程。

解決EMI問題的辦法很多，現(xiàn)代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設(shè)計(jì)等。本文從最基本的PCB布板出發(fā)，討論P(yáng)CB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧。電源匯流排在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。我們應(yīng)該怎么解決這些問題?就我們電路板上的IC而言，IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器，它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。此外，優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號也小，進(jìn)而降低共模EMI。當(dāng)然，電源層到IC電源引腳的連線必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號的上升沿越來越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤上，這要另外討論。為了控制共模EMI，電源層要有助于去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對。有人可能會問，好到什么程度才算好?問題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是6mil，夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。

覆銅，就是將PCB上閑置的空間作為基準(zhǔn)面，然后用固體銅填充，這些銅區(qū)又稱為灌銅。敷銅的意義在于，減小地線阻抗，提高抗干擾能力;降低壓降，提高電源效率;還有，與地線相連，減小環(huán)路面積。如果PCB的地較多，有SGND、AGND、GND，等等，如何覆銅?我的做法是，根據(jù)PCB板面位置的不同，分別以最主要的“地”作為基準(zhǔn)參考來獨(dú)立覆銅，數(shù)字地和模擬地分開來敷銅自不多言。同時(shí)在覆銅之前，首先加粗相應(yīng)的電源連線：V5.0V、V3.6V、V3.3V(SD卡供電)，等等。這樣一來，就形成了多個(gè)不同形狀的多變形結(jié)構(gòu)。覆銅需要處理好幾個(gè)問題：一是不同地的單點(diǎn)連接，二是晶振附近的覆銅，電路中的晶振為一高頻發(fā)射源，做法是在環(huán)繞晶振敷銅，然后將晶振的外殼另行接地。三是孤島(死區(qū))問題，如果覺得很大，那就定義個(gè)地過孔添加進(jìn)去也費(fèi)不了多大的事。另外，大面積覆銅好還是網(wǎng)格覆銅好，不好一概而論。為什么呢?大面積覆銅，如果過波峰焊時(shí)，板子就可能會翹起來，甚至?xí)鹋荨倪@點(diǎn)來說，網(wǎng)格的散熱性要好些。通常是高頻電路對抗干擾要求高的多用網(wǎng)格，低頻電路有大電流的電路等常用完整的鋪銅。補(bǔ)充下：在數(shù)字電路中，特別是帶MCU的電路中，兆級以上工作頻率的電路，敷銅的作用就是為了降低整個(gè)地平面的阻抗。更具體的處理方法我一般是這樣來操作的：各個(gè)核心模塊(也都是數(shù)字電路)在允許的情況下也會分區(qū)敷銅，然后再用線把各個(gè)敷銅連接起來，這樣做的目的也是為了減小各級電路之間的影響。對于數(shù)字電路模擬電路 混合的電路，地線的獨(dú)立走線，以及到最后到電源濾波電容處的匯總就不多說了，大家都清楚。不過有一點(diǎn)：模擬電路里的地線分布，很多時(shí)候不能簡單敷成一片銅皮就了事，因?yàn)槟M電路里很注重前后級的互相影響，而且模擬地也要求單點(diǎn)接地，所以能不能把模擬地敷成銅皮還得根據(jù)實(shí)際情況處理。(這就要求對所用到的模擬IC的一些特殊性能還是要了解的)

在PCB(印制電路板)中，印制導(dǎo)線用來實(shí)現(xiàn)電路元件和器件之間電氣連接，是PCB中的重要組件，PCB導(dǎo)線多為銅線，銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗，導(dǎo)線中的電感成分會影響電壓信號的傳輸，而電阻成分則會影響電流信號的傳輸，在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重，因此，在PCB設(shè)計(jì)中必須注意和消除印制導(dǎo)線阻抗所帶來的影響。1印制導(dǎo)線產(chǎn)生干擾的原因PCB上的印制導(dǎo)線通電后在直流或交流狀態(tài)下分別對電流呈現(xiàn)電阻或感抗，而平行導(dǎo)線之間存在電感效應(yīng)，電阻效應(yīng)，電導(dǎo)效應(yīng)，互感效應(yīng);一根導(dǎo)線上的變化電流必然影響另一根導(dǎo)線，從而產(chǎn)生干擾;PCB板外連接導(dǎo)線甚至元器件引線都可能成為發(fā)射或接收干擾信號的天線。印制導(dǎo)線的直流電阻和交流阻抗可以通過公式和公式來計(jì)算，R=PL/S和XL=2πfL式中L為印制導(dǎo)線長度(m)，s為導(dǎo)線截面積(mm2)，ρ為銅的電阻率，TT為常數(shù)，f為交流頻率。正是由于這些阻抗的存在，從而產(chǎn)生一定的電位差，這些電位差的存在，必然會帶來干擾，從而影響電路的正常工作。2 PCB電流與導(dǎo)線寬度的關(guān)系PCB導(dǎo)線寬度與電路電流承載值有關(guān)，一般導(dǎo)線越寬，承載電流的能力越強(qiáng)。在實(shí)際的PCB制作過程中，導(dǎo)線寬度應(yīng)以能滿足電氣性能要求而又便于生產(chǎn)為宜，它的最小值以承受的電流大小而定，導(dǎo)線寬度和間距可取0.3mm(12mil)。導(dǎo)線的寬度在大電流的情況下還要考慮其溫升問題。PCB設(shè)計(jì)銅鉑厚度、線寬

隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對于信號完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動往往會給系統(tǒng)帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國際市場上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。二、電源噪聲的起因及分析對于電源噪聲的起因我們通過一個(gè)與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個(gè)三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時(shí)回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時(shí)，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時(shí)流入地線。此時(shí)由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時(shí)，此時(shí)電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時(shí)只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對于上升沿來說要小。從對與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大;

如果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求，阻抗變化必須小于10%。這有時(shí)很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計(jì)算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號的幅度必然超標(biāo)。至于對信號造成多大影響，還和信號上升時(shí)間和驅(qū)動端到反射點(diǎn)處信號的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個(gè)潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)可以通過阻抗匹配端接解決問題。如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個(gè)端點(diǎn)處都會發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時(shí)間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號為1V，第Y次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短，兩次反射幾乎同時(shí)發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否影響信號，有多大影響，和阻抗變化處的時(shí)延以及信號上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號上升時(shí)間的20%，反射信號就不會造成問題。如果信號上升時(shí)間為1ns，那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對應(yīng)1.2英寸，反射就不會產(chǎn)生問題。也就是說，對于本例情況，6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會有問題。