在當(dāng)今的數(shù)字設(shè)計(jì)世界中，速度通常是決定產(chǎn)品性能的主要因素。許多設(shè)計(jì)都包含太多高速接口，其信號(hào)速度足夠高，以至于印刷電路板 （PCB） 的走線和布局在整體系統(tǒng)性能中發(fā)揮著重要作用。

因此，信號(hào)完整性和電源完整性問題往往是各個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段設(shè)備故障的主要原因。除了數(shù)字部分之外，設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)謹(jǐn)慎考慮高速 PCB 設(shè)計(jì)的模擬特性。必須考慮可能增加數(shù)字波形時(shí)序不確定性的任何物理現(xiàn)象。

當(dāng)實(shí)施明確定義的 PCB 路徑時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性 （SI）。這些路徑允許在正確的時(shí)間以干凈的邊緣將信號(hào)從驅(qū)動(dòng)器傳送到接收器。SI 較差的設(shè)計(jì)通常無(wú)法滿足時(shí)序或抖動(dòng)要求。在某些情況下，較差的 SI 也可能導(dǎo)致高于可接受的輻射發(fā)射。在最壞的情況下，設(shè)計(jì)根本不起作用。

讓我們討論實(shí)現(xiàn)高速 SI 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。首先是高頻下的傳輸線行為。在電子產(chǎn)品的早期，由于邊緣速率較慢，SI 并不是一個(gè)問題。隨著時(shí)鐘速率和信號(hào)速度的增加，上升時(shí)間因此減少到 PCB 走線長(zhǎng)度與通過它們的邊沿速率處于相同長(zhǎng)度的點(diǎn)。對(duì)于具有 2.97-Gbit/s 數(shù)據(jù)速率的 HDMI 1.4 信號(hào)，關(guān)鍵 PCB 長(zhǎng)度為 2 mm。因此，必須仔細(xì)分析高速 PCB 的傳輸線及其特性阻抗、延遲和損耗。這些傳輸線行為是確定連接組件如何交互的關(guān)鍵。最常見的傳輸線阻抗是 50 Ω。

與 PCB 制造廠的溝通決定了 PCB 材料、疊層以及每層中走線寬度/間隙的識(shí)別，以滿足所需的阻抗。PCB設(shè)計(jì)中使用的兩種常見傳輸線類型是帶狀線和微帶線。

帶狀線的信號(hào)跡線夾在兩個(gè)參考平面之間。微帶線的信號(hào)線走線在外層，只有一個(gè)參考平面。兩者之間的選擇取決于信號(hào)速度要求、設(shè)計(jì)復(fù)雜性以及驅(qū)動(dòng)器 IC 的扇出布置。一般來(lái)說(shuō)，帶狀線不太容易受到噪聲的影響，而微帶線提供更快的信號(hào)速度路徑。

一旦定義了 PCB 材料、疊層和傳輸線類型，設(shè)計(jì)人員就需要決定如何路由高速信號(hào)。在考慮信號(hào)走線時(shí)，重要的是選擇一條干凈且短的走線，其下方有一個(gè)未中斷的參考平面。這讓電流以一致的阻抗傳輸?shù)浇邮掌鳎⑼ㄟ^阻抗最小的路徑返回到源，該路徑是與信號(hào)跡線直接相鄰的參考平面。常見的返回路徑問題包括 （a） 當(dāng)參考平面中存在不連續(xù)性時(shí)和 （b） 當(dāng)路由信號(hào)改變層時(shí)沒有參考平面跟隨。上述中斷返回路徑的后果是信號(hào)反射和振鈴。

信號(hào)反射和振鈴是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)不佳的直接結(jié)果。驅(qū)動(dòng)器、傳輸線和接收器阻抗都可能導(dǎo)致信號(hào)反射。如果信號(hào)在向下傳播時(shí)遇到 PCB 瞬時(shí)阻抗的變化，部分信號(hào)將反射回其源并導(dǎo)致信號(hào)失真。這種瞬時(shí)阻抗的變化稱為阻抗不連續(xù)性。當(dāng)由于阻抗不連續(xù)而出現(xiàn)多次反射時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)振鈴。如果驅(qū)動(dòng)器、互連傳輸線和接收器具有相同的阻抗，則不會(huì)出現(xiàn)反射或振鈴。因此，在元件和互連之間匹配相同的阻抗是減少振鈴的關(guān)鍵。

串?dāng)_是由于 PCB 走線的電容和電感特性導(dǎo)致的信號(hào)耦合造成的，它可能是由于多個(gè)信號(hào)相互耦合而造成的，因?yàn)樗鼈兊牟季€太近或信號(hào)返回路徑彼此太近。當(dāng)布線走線和返回路徑與其他信號(hào)走線的距離是走線寬度的兩倍時(shí)，可以最大限度地減少串?dāng)_。振鈴也會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_的可能性；較少的振鈴轉(zhuǎn)化為較少的串?dāng)_。

雖然這里沒有討論，但終端拓?fù)洹⒆呔€的長(zhǎng)度、信號(hào)的傳播速度和走線的形狀都需要考慮。

以下是維護(hù) SI 應(yīng)遵循的實(shí)用設(shè)計(jì)規(guī)則的摘要：

在原理圖設(shè)計(jì)期間識(shí)別所有高速信號(hào)。

如果可能，在頂層和底層布線最高速度的信號(hào)。

每個(gè)高速連接都必須被視為傳輸線對(duì)的一部分，以 100 或 90 Ω 差分對(duì)和 50 Ω 單端方式布線。

將信號(hào)跡線與返回路徑保持一層電介質(zhì)。任何偏離此值的行為都會(huì)增加輻射發(fā)射、降低信號(hào)完整性并降低抗擾度。

始終為高速信號(hào)提供良好的接地參考。

避免返回路徑不連續(xù)，例如參考平面中的空隙。

如果高速信號(hào)過渡層和改變接地參考平面，則必須在信號(hào)過孔旁邊放置一個(gè)返回過孔。

對(duì)于差分布線，在信號(hào)及其返回路徑方面盡可能保持正負(fù)走線平衡，并滿足線對(duì)內(nèi)和線對(duì)間長(zhǎng)度匹配要求。

保持線對(duì)間距大于 2 倍的線寬規(guī)則。

與其他接口保持大于 3 倍的線寬間距。

沒有直角轉(zhuǎn)彎，因?yàn)樗鼈儠?huì)在跡線上增加電容。

盡量減少高速信號(hào)走線的過孔（層轉(zhuǎn)換）數(shù)量。

盡量減少沿高速信號(hào)走線的任何短截線，包括從通孔引入的短截線。

通過使高速信號(hào)遠(yuǎn)離嘈雜的信號(hào)、時(shí)鐘和開關(guān)模式電源來(lái)保護(hù)它們。

電源完整性

電源完整性 （PI） 是通過在系統(tǒng)內(nèi)部提供符合處理器和所有其他組件所需電源條件的電源傳輸網(wǎng)絡(luò) （PDN） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PDN 是傳輸平面形式的互連鏈，通過 PCB、封裝和片上路由從穩(wěn)壓器模塊 （VRM） 向晶體管本身供電。

PI 比 SI 更難可視化，事實(shí)證明，有數(shù)十個(gè)和數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在同一電源平面中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)影響 PDN 中的整體阻抗，而 SI 僅處理驅(qū)動(dòng)器和接收器。PI 問題難以重復(fù)和排除故障。因此，建議在布局前和布局后 PCB 設(shè)計(jì)階段進(jìn)行完整的 PI 研究。雖然完整的 PI 分析需要高級(jí)且通常昂貴的 PI 仿真工具，但我們將在此處堅(jiān)持設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

高速數(shù)字設(shè)計(jì)中的良好 PI 系統(tǒng)有兩個(gè)基本目的。首先，它為交換信號(hào)提供穩(wěn)定的電壓參考（接地/返回路徑）。其次，它以可接受的噪聲和容差將電源分配給所有邏輯器件，以保持芯片焊盤上的電壓恒定。

聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但在高速 PCB 設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)一些事實(shí)。首先，典型的 BGA 處理器通常有數(shù)百個(gè)電源和接地球，需要數(shù)十個(gè)電源電壓。其次，所有這些電源引腳都消耗許多安培的電流。因此，當(dāng)器件工作時(shí)，所有這些消耗安培電流的電源引腳同時(shí)加載所有高頻電源電壓。

考慮到這一點(diǎn)，PI 研究不再只是單純的直流分析，而是涉及從 VRM 到 IC 焊盤的每個(gè)電源軌中高頻瞬態(tài)負(fù)載的研究。

電源完整性的基本設(shè)計(jì)考慮從高頻傳輸平面行為開始。與 SI 的傳輸線類似，PI 分析的關(guān)鍵是將所有電源軌視為傳輸平面并分析其特性阻抗。為了實(shí)現(xiàn)良好的電源完整性，希望 PDN 具有盡可能低的阻抗?？赡軙?huì)產(chǎn)生高頻瞬態(tài)噪聲，如果被忽視，可能會(huì)傳播到整個(gè)電路板。

主要挑戰(zhàn)是 PCB 中的 PDN 互連都具有電感特性。元件安裝、PCB 走線、電容器和過孔都表現(xiàn)出電感。這表明阻抗隨著瞬態(tài)頻率的增加而增加。由于 VRM、電容器、PCB 疊層、電源/接地層和 IC 在不同頻率下都有不同的特性阻抗，因此仔細(xì)選擇元件和放置位置是降低傳輸層阻抗的方法。

圖 1 和圖 2 展示了電容器在高頻下的電感特性以及典型 PDN 的等效電路。圖 1 是使用 AVX 的 SpiCap 仿真工具的 0603、X7R、1-uF 電容器阻抗與頻率圖的示例。圖的左半部分顯示電容在 0 到 22.5 MHz 之間的特性阻抗中占主導(dǎo)地位，右半部分顯示電感在大于 22.5 MHz 的頻率中占主導(dǎo)地位。

1. 0603、X7R、1-uF 電容器的阻抗與頻率圖示例。

圖 2 是一個(gè) PDN 等效電路，說(shuō)明了同一傳輸平面的每個(gè)互連的電阻、電容和電感特性。所有這些物理現(xiàn)象都需要作為 PI 分析的一部分進(jìn)行深入研究。

2. 顯示的是從 Altera 的 PDN 工具捕獲的典型傳輸平面的 PDN 等效原理圖。

理想情況下，我們希望使整個(gè)傳輸平面的阻抗盡可能低。由于許多因素會(huì)影響阻抗，因此需要為電路板上所有芯片的每個(gè)電壓軌單獨(dú)且獨(dú)立地計(jì)算目標(biāo)阻抗。在每個(gè)電源軌中，由于芯片的特定電流要求，目標(biāo)阻抗可能隨頻率而變化。在指定目標(biāo)阻抗時(shí)，應(yīng)將器件規(guī)格表中列出的每個(gè)導(dǎo)軌的阻抗和可接受的容差信息用作起始指南。

特定傳輸平面的 PDN 由不同的互連塊組成，從 VRM 到大容量去耦電容器，再到通孔，再到電路板上的走線和平面。然后是額外的去耦帽、封裝的焊球或引線、封裝中的互連以及芯片上的焊線和互連。每個(gè)互連塊都有助于傳輸平面的特性阻抗。在分析 PDN 時(shí)，首先要研究每個(gè)互連軌道，然后是傳輸平面，然后是整個(gè) PDN 系統(tǒng)。

Altera PDN 設(shè)計(jì)工具可以說(shuō)明每個(gè) PDN 互連對(duì)不同頻率帶寬中同一傳輸平面的特性阻抗的影響。該工具可以通過 Altera 的有效 Quartus II 軟件許可證下載。通過將目標(biāo)阻抗設(shè)置為 12.3 mΩ 開始設(shè)計(jì)過程，然后通過每個(gè) PDN 互連。

低頻阻抗，范圍從直流到 10 kHz，由 VRM 設(shè)置。VRM 輸出通常為毫歐級(jí)，從 DC 到 10 kHz。

3. 顯示的是 VRM 特性阻抗。

VRM PCB 布局需要考慮的實(shí)用技巧是：

最大化金屬厚度。

使用足夠?qū)挼碾娫醋呔€。

使用多個(gè)并行的電源和接地過孔。

與 VRM 并聯(lián)的大容量電容器可將阻抗降低 10 至 100 kHz。

4. 顯示的是大容量電容器的特性阻抗。

選擇合適的大容量電容器的實(shí)用技巧是：

遵循大容量電容器值的參考設(shè)計(jì)。

遵循設(shè)計(jì)指南以優(yōu)化大容量電容器的放置。

去耦電容可將傳輸層的阻抗降低 0.1 至 10 MHz。在靠近電源焊盤的入口點(diǎn)添加去耦電容可降低環(huán)路電感。選擇正確的位置并選擇正確數(shù)量和值的去耦電容器在這里起著重要作用。

5. 顯示的是去耦電容特性阻抗。

選擇正確的去耦電容的實(shí)用技巧是：

設(shè)計(jì)電容器值、主體尺寸和放置以滿足阻抗規(guī)范。

降低電源接地環(huán)路面積以減少環(huán)路電感。

緊密堆疊的電源和接地可將 PDN 的特性阻抗提高 10 至 100 MHz。

6. 顯示的是 PCB 電源/接地層特性阻抗。

設(shè)計(jì)電源/接地層的實(shí)用技巧是：

電源層和接地層應(yīng)盡可能靠近。

放置多個(gè)用于電源和接地的過孔。

通常，對(duì)于 25 MHz 以上的頻率，特性阻抗主要由 BGA 球、IC 封裝和片上電容的通孔決定。為了對(duì)此建模，需要更高級(jí)的仿真工具。

關(guān)于去耦電容和電源/接地層的其他一些注意事項(xiàng)是：

電流總是走阻抗最小的路徑。在這些高頻下，PDN 環(huán)路電感、電容值和連接到電源引腳的電容器的位置決定了阻抗。

本地去耦電容應(yīng)盡可能靠近處理器電源和接地引腳。使用背面電容器時(shí)，每個(gè)電容器都應(yīng)有自己的通孔直接連接到接地層和電源層。

電源和接地過孔和平面應(yīng)盡可能靠近。

PI 的實(shí)用設(shè)計(jì)規(guī)則是：

在相鄰層上使用電源層和接地層，并使用盡可能薄的電介質(zhì)。

在去耦電容焊盤和通向埋入式電源/接地層的通孔之間使用盡可能短且寬的表面走線。

將電容器放置在回路電感最低的地方。

使用 SPICE 模型來(lái)幫助選擇最佳數(shù)量的電容器及其值，以使阻抗曲線低于目標(biāo)阻抗。

本地去耦電容必須盡可能靠近處理器引腳放置。

定向電容器以最小化環(huán)路電感。

在返回路徑中放置局部過孔。

由于每個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘速率和信號(hào)速度都更高，因此對(duì) SI 和 PI 的關(guān)注對(duì)于設(shè)計(jì)性能良好的產(chǎn)品至關(guān)重要。盡管我將 SI 和 PI 解釋為單獨(dú)的主題，但它們密切相關(guān)，并且它們的問題可以相互影響。此外，經(jīng)過仔細(xì)考慮 SI 和 PI 設(shè)計(jì)的高速 PCB 通常具有最小的電磁干擾問題。

審核編輯：郭婷