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优化您的高频PCB设计布局

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作者节奏PCB解决方案

关键的外卖

  • 高频pcb和高速pcb之间有区别吗?

  • 高频PCB设计的主要挑战。

  • 优化高频PCB设计布局的设计指南。

噪声图像

噪声是高频PCB设计的祸根

虽然噪音通常与突兀声音的音量有关，但噪音可能存在于远远超出我们听觉范围的频率上——最高可达20千赫。事实上，大多数电子设计师和开发人员将归类为噪声的东西只能在示波器或类似的设备上看到，而不能听到。无论是听到的还是看到的，我们通常所说的噪音都有相同的效果:它是侵入性的。

对于依赖数据和信息保真度才能正常工作的电子系统来说，噪声或电磁干扰(EMI)是电子电路板上和电路板之间干扰的主要来源。而且，对于高速和高频的PCB设计，有很多的指导原则用于优化板的布局，严格包括减少或消除板载EMI和/或在运行环境中实现最佳电磁兼容性(EMC)。

高频pcb vs.高速pcb

频率和速度通常是同义词。让我们来澄清一下这两个术语的定义:

高速PCB:速度是一个时域术语，高速PCB通常用于描述传输、接收和/或处理具有快速或高传输数据或比特率的数字信号的板。

高频印刷电路板:在频域，信号用完成一个周期或周期所需的时间来描述。高频pcb通常是指传播模拟信号或射频信号有高频的电路板。

与模拟信号相比，数字信号并不一定要有一个持续重复的循环。然而，模拟信号的频率(单位为s-1或hz)和数字信号的速度(单位为位/秒或字节/秒)都是根据时间来测量的。

高频或高速对电子电路板的意义是一样的。也就是说，“高”意味着板上的信号以这样的速率变化信号的完整性可受到阻抗和其他板参数的显著影响。但是，到底多高才算高呢?对于射频信号，在大约50兆赫兹以上的频率可以观察到影响信号完整性的效应，并一直延伸到微波范围。对于数字信号，答案就不那么简单了。

PCBAs可以根据最快信号下降的速度域进行分类。有三个这样的域，如下所示。

速度域

速度域

如上图所示，如果信号转换时间在路径长度的¼内，那么该板就属于慢板，频率或速度不会显著影响板的性能或信号完整性。对于快速板，由于频率可能会有一些影响。然而，这可以通过缩短路径长度来缓解。对于高速和高频PCB设计，有一些挑战是必须解决的。

高频PCB设计的挑战

设计高频PCBAs与设计其他大多数电路板类似IPC标准旨在确保可靠性和可制造性应遵循。然而，为了确保满足板的性能标准，对于高频板还有一些额外的问题，下面列出了其中一些。

  • 辐射
    高频和高速板通常包括组件辐射EMI排放．这些设备(如无线发射机、变流器、电源等)会产生板载电磁干扰，影响单板所在环境的EMC。

  • 吸收
    与发射电磁干扰相反，您的电路板可能容易吸收来自附近电路板或设备的辐射，从而影响您的电路板的性能。

  • 信号退化
    一个主要的考虑是限制信号退化，当差分对不匹配、传输线太长、没有必要的屏蔽或其他原因时，就会发生信号退化。

  • 反射
    信号完整性差的另一个原因是缺乏阻抗匹配，这可能导致过多的思考信号返回源，而不是传输。

  • 耦合
    耦合当两个导体靠得很近时发生。显然，这可能会对信号传播产生负面影响;因此，间距是PCB布局设计中非常重要的参数。

  • 寄生电容
    在您的电路板上产生不必要耦合的主要原因之一是寄生电容．虽然这种虚拟的反应性成分不能完全消除，但它的影响可以被最小化。

  • 谐波失真
    信号完整性问题的一个常见来源是谐波失真．频率偏移是阻碍TX/RX系统的表现之一。

  • 共模噪声
    对于带有电源和/或转换电路的电路板，共模噪声可能是一个问题。通常，这是由于终端之间存在杂散电容。

  • 表面跟踪|
    对于高电压和/或电流的PCBAs，表面跟踪——通过降级绝缘产生电流路径——可能会成为一个问题。跟踪可能是危险的，会导致部件烧毁甚至起火。

上面的列表并不详尽;然而，它确实清楚地表明，必须注意高频PCB设计。

为您的高频板创建最佳布局

回顾上一节的考虑事项，应该很清楚，创建最佳的高频PCB设计布局需要在设计过程的几乎所有方面做出良好的决策。这包括组件的放置、间距和间隙、布线、堆叠、接地和材料选择。这可以通过采用下面描述的简单的三步范式来实现。

优化高频PCB设计

1.采用并遵循良好的高频PCB设计指南

重要的是，您采用的设计计划应包含经过验证的原则，并包括解决性能、操作、可制造性和可靠性的具体操作，如下所示。

  • 材料选择
  • 确保高频率的介电常数是稳定的
  • 低调使用铜
  • 选择焊料屏蔽，尽量减少损耗因素
  • 组件的位置
  • 根据信号类型将组件分组
  • 隔离散热器，如天线
  • 间距和许可
  • 在不同的轨迹之间保持相等的间距
  • 遵循爬电和间隙标准
  • 路由
  • 在不同的层上路由不同的信号类型
  • 最小化跟踪长度
  • 最大化不同轨迹之间的间距
  • 分层盘旋飞行
  • 如果可能的话，使用对称堆叠
  • 接地
  • 对不同的信号类型使用不同的理由
  • 避免用信号分裂地面
  • 过滤
  • 对于具有快速开关的板，良好的滤波是减少电磁干扰的关键
  • 屏蔽
  • 对高辐射部件使用屏蔽

遵循上面的指导方针——以及在设计过程中出现的其他指导方针——将确保您的董事会满足其性能和操作目标。但是，所有的选择都应该在CM的DFM的设备能力范围内，以确保可制造性。

2.设置和管理约束

建立必要的设计规则和指导方针将需要设置一个约束管理器，如下所示。

使用Allegro管理设计约束

Allegro PCB设计约束管理器

大多数更好的PCB设计软件工具将提供类似于上述选项的电气、物理和制造方面的考虑。挑战在于如何组织这些活动，使最关键的活动具有最高优先级。有了先进的设计平台，如Cadence的Allegro，选择高速选项可以简化这一过程。

Allegro的特殊约束管理器选项

Allegro PCB设计重点选项

3.验证设计

最后一个高频PCB设计步骤是验证您的设计，以确保清除所有违反规则的情况，并且选择符合CM的DFM能力。还建议您使用模拟来测试您的板的PDN、热剖面和信号流，如果该功能是可用的，就像Allegro一样。

要了解更多关于高速和/或高频PCB设计的信息，请查看这个电子书关于可能影响董事会绩效的常见问题以及如何缓解这些问题。

如果你想了解更多关于Cadence如何为你提供解决方案，和我们的专家团队谈谈．