5高速PCB设计-si_part5

1SignalIntegrity、EMC&HighSpeedPCBDesignPart3PCB的信号完整性分析2第3部分PCB的信号完整性设计PCB的信号波形完整性设计信号完整性问题----反射阻抗匹配关键长度布线单端传输线信号线差分对端接技术串联并联戴维南AC二极管信号完整性问题----串扰共模和差模布线层的安排互连和I/O信号完整性分析模型3第3部分PCB的信号完整性设计PCB的信号时序完整性设计两种常见的时序模型及其时序裕量的计算方法几种变型的源同步时序电路及其时序裕量的计算方法仿真在时序设计中的作用PCB的电源完整性设计电源完整性问题同步开关噪声电源分配设计PCB回流设计4PCB的电源完整性设计电源完整性问题概述电源系统波动原因同步开关噪声芯片内开关噪声及抑制方法芯片外开关噪声（地弹）及抑制办法电源分配设计PCB的回流设计回流类型分割电源平面与EMI仿真5电源完整性问题电源完整性（PI）是指系统运行过程中电源的波动情况，或者说电源波形的质量。背景开关器件数目不断增加，芯片工作电压不断减小，电源的波动会给系统带来致命的影响。信号速度加快，电源线因耦合电感而承受不小的压降。PI质量也直接影响最终PCB的信号完整性和EMC。电源波动的原因及分类器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大：同步开关噪声（SSN）或Δi噪声，地弹也可归为此类电路回路上存在的电感：非理想电源阻抗影响（包括电源内阻）谐振及边缘效应6PI问题：电源、地问题7同步开关噪声SSN的起因8减小SSN的措施芯片设计时要考虑信号/电源/地的数量比，参考值为4:1:1FPGA设计时可参考做好芯片的封装设计，特别是处理好芯片内的电源、地，电源和地的引脚引线要尽量短电源和地应平均分布，并尽量靠近芯片内最好有耦合电容，单板上也要有合理的滤波方案。使用电源平面和地平面，并让电源平面和地平面尽量相互靠近尽量选择弱输出驱动能力的驱动器连接器的收发信号分开DCA（DirectChipAttach,芯片直接贴装）技术9电源分配系统设计电源分配系统，其作用是给系统内的所有器件足够的电源，这些器件不但需要足够的功率消耗，同时对电源的平稳性也有一定的要求电源之所以波动，就是因为实际的电源平面总是存在阻抗，这样在瞬间电流通过时，就会产生一定的电压降和电压摆动，故需要对电源的阻抗进行控制：采用电阻率低的材料，如铜采用较厚、较粗的电源线，并尽可能减少长度尽量降低接触电阻尽量减小电源内阻电源尽量靠近地合理使用去耦电容10电源分配系统设计电源线的合理布局设计高速PCB板的关键之一就是要尽可能的减小由于线路阻抗引起的压降和高频电磁场转换而引入的各种噪声。通常用两种方法来解决上述问题。电源总线技术(POWERBUS)采用一个单独的电源层进行供电电源层在很大程度上缓解了压降和噪声的问题11电源线的合理布局采用电源总线技术，各个元器件悬挂在电源总线上，所以又称之为悬挂式总线电源总线的宽度通常比普通的信号线要宽，采用总线技术后，虽然可以减小压降和和噪声的问题，但它们仍然存在。假设电源电压为3.3V，OA，AB，BC，CD，BE，AF各段导线的电阻为0.05Ω，PCB板上的每个元器件的扇出或吸入电流为200mA则IOA=2.6A，IAB=1.6A，IBC=ICD=0.8A最后元件9上的电压为：3.3-2.6×0.05-1.6×0.05-0.8×0.05=3.01V12电源线的合理布局对电源总线技术进行改进，如图所示，称为电源总线网络法，即让电源总线相互交叉，而把对噪声和压降敏感的元件放在电源线网络的交叉点上，使得每一个元件同时属于几个不同的回路如图中元件6，7就分别属于四个不同的小回路。由于电流可以从网络中的任何一条总线上进来或出去，而且每一个网孔构成了一个回路，这就不仅可以使网络中每条总线上的电流趋于均衡，不会出现悬挂式总线上的各段总线电流大小不一致的问题，因此就可以减小由于线路阻抗引起的压降问题。元件的电流由各网孔分担，每个网孔的电流为400mA。对于元件5，元件9和元件1的电压都比它高，因而电流从元件1和9流向5，从5流出到6。在最坏情况下即元件9和1的电流全部从一端流出进入元件5，则元件5上的电压为3.3-0.4×0.05=3.28V(仍假定各段导线电阻为0.05Ω)，要比悬挂式总线高了许多13两种电源总线技术的对比节点元件电压(V)13.1353.0593.01节点元件电压(V)13.353.2893.314电源分配系统设计阻抗对于电源分配系统的影响理想的电源的阻抗是0，这样可以保证电源端的电压和负载端的电压一致但实际的电源，它具有一定的阻抗，分别以电阻、电感、电容的形式表示，因此噪声将叠加在电源上。设计的目标就是尽可能减小电源分配网络的阻抗，同时尽量滤除噪声。减小电源分配网络的阻抗的方法：尽量使用电源平面，设计好叠层等15电源分配系统设计电源层的分配和分割电源层分配原则：和地层相邻原则，通流能力原则，重要电压优先原则电源层分割原则：考虑到不影响重要信号的阻抗，回流；考虑到强干扰信号（时钟）的干扰问题地的分割原则任何一根信号线中的电流都要通过和它临近的地平面回到驱动端，所以进行地的分割的时候要避免割断高速信号的回流路径16电源分配系统设计电路噪声的滤波滤除噪声的有效方法是使用滤波电容，一般而言，可以放置一个1uF到10uF的去耦电容在电源接入电路板处，滤除低频的噪声，放置一个0.01uF到0.1uF的去耦电容在板上每一个有源器件的电源管脚处，滤除高频噪声。需要注意的是，理想电容和实际电容的区别，实际电容在除电容因素外还包括了等效串连电感和等效串连电阻实际电容的等效网络的谐振频率是实际电容低于FR的频率呈现容性，而在高于FR的频率上则呈现感性，所以电容更像是一个带阻滤波器，而不是一个低通（阻高频）滤波器17电源分配系统设计电路噪声的滤波电容的种类很多，对应于不同频率和应用场合，低ESL的电容通常是由非铁磁材料制造的，他的容量通常也比较小。更大的电容对于高频的滤波并没有更好的效果。18电源分配系统设计电源布局布线的处理应尽量遵循下面一些规则：有条件的情况下，尽量采用单独的电源层和地层进行供电。采用电源网络总线时，网孔越多越好，形成许多嵌套的网孔，同时总线要尽量的宽，以达到均衡电流，降低噪声的目的；电源的走线不能中间细两头粗，以免在上面产生过大的压降。走线不能突然拐弯，拐弯要采用大于90°的钝角，最好采用圆弧形走线，电源的过孔要比普通的大一些。有条件的话，在过孔处加滤波电容；对于那些特别容易产生噪声的部分用地线包围起来，以免产生的噪声耦合入电源。19PCB的回流设计任何信号的传输都存在一个闭环的回路，当电流从驱动端流入接收端的时候，必然会有一个回流电流通过与之相邻的导体从接收端回流至驱动端，构成一个闭合的环路。环路的大小和EMI的产生有着很大的关系每一个环路都可以等效为一个天线，环路数量或者面积越大，引起的EMI也越强。交流信号会自动选取阻抗最小的路径返回驱动端但实际情况中，特别是在高密度布线的PCB板上，过孔，缝隙等都可能降低参考平面理想的特性，而表现为更复杂的回流形式信号回流的途径是多方面的：参考平面，相邻的走线，介质，甚至空气都可能成为它选择的通道。与信号线耦合最强的将为信号提供最主要的回流途径。20信号回流对EMI的影响参考下图可以看到：信号和回流外部区域，由于磁场的极性相反，可以相互抵消，而中间部分是加强的，这也是对外辐射的主要来源。很明显，只要缩短信号和回流之间的距离，就可以更好的抵消外围的电磁场，同时也能降低中间加强部分的面积，大大抑制EMI。21理想信号回流示意图实际情况中的信号回流22回流问题设计高速信号，必须要考虑回流的问题。回流设计不好，会引起阻抗反射、EMI等问题。23电容和接地过孔对回流的作用利用电容的储能滤波特性，稳定电压，消除高次谐波，从而达到降低EMI的效果。多层PCB设计中，由于布线密度，拓扑结构的要求，信号走线经常需要在层间切换，如果它所参考的地平面也发生变化，那么该信号的回流路径将发生变化，从而产生一定的EMI问题最有效的解决方法就是合理添加电容或过孔。如果两个不同的参考平面都是地或都是电源，可以通过添加接地过孔或者电源连接过孔来为信号的回流提供回路如果两个参考平面是电源和地之间的切换，那么就可以利用旁路电容提供低阻抗的回路24信号换层带来的EMI问题及解决办法25电容的作用26电容的作用作为系统有低频噪声，也有高频噪声，但任何一种电容都只有有限的有效频率范围，所以需要使用不同类型的电容来达到系统的噪声滤波作用。BulkCapacitance（大电容）电解电容或大的钽电容，主要用于电源，几个芯片一个BulkCapacitor针对的是低频的噪声。主要是针对CeramicCapacitor无法有效滤除的低频部分。BulkCapacitor还有一个“功率蓄水池”的作用，放置在高速芯片管脚附近HighFrequencyCeramicCapacitanceCeramicCapacitance针对的是BulkCapacitance无法有效滤除的高频噪声。特别是10M~200MHz这个区间。根据材料的不同又分为NPO,X7R,X5R和Y5V几种，根据尺寸又分为1206，0805，0603，0402几种使用时需要注意选择合适的封装以及合理的Fanout及布局布线，以增加滤波效果。27电容的作用InterplaneEmbededCapacitance由于电容固有的ESL以及来自于布线的ESL的原因，对于高于1G的频率，电容已经不起作用了，这时候InterplaneEmbededCapacitance对于滤波起主导作用了。电源层和地层距离越近，对高频噪声的滤波就越好28高速电路的时序设计基本概念时序概念：在数字电路中表达一种信息状态的一组数字信号的相位关系。应用环境：数字电路电路组成部件：CPU、存储器、逻辑器件同步时序电路：所有的时钟连接在一起，并使触发器同时翻转，延时固定异步时序电路：时钟不连接在一起，触发器不同时翻转，延时积累。互连设计中时序电路为同步时序电路，在这种电路中信号传输的实质是：在发送端，用时钟信号从存储器中读出数据或地址控制信号；在接收端，用时钟信号去锁存数据或地址控制信号。存储器和锁存器的实质就是触发器，所以研究触发器的延时参数和锁存参数是时序分析的关键29高速电路的时序设计时序参数延时参数：Tco锁存参数：Tsu；Thd信号飞行时间：Tflight时钟jitter、skew数据skew、串扰30高速电路的时序设计触发器的延时参数（Tco）Tco：clocktooutputvalid不同厂家的称呼不同：Tac，Tkhqv，Tctq，Tkq等。Toh:colcktooutputinvalid31高速电路的时序设计触发器的锁存参数Tsu：建立时间Thd：保持时间32高速电路的时序设计建立时间裕量和保持时间裕量33高速电路的时序设计理想的源同步数据时序图34高速电路的时序设计时钟的抖动35两种常见的时序模型及时序裕量的计算方法时序电路基本模式同步模式如PCI总线源同步模式如DDR总线变型模式如DDR总线36同步模式（common）示意图很多早期的时钟方案是这一种，比如PCI总线。时钟由时钟发生器出来，分别给驱动器和接收器。这种时钟方案的缺点是不能跑太高的频率。37两种常见的时序模型及时序裕量的计算方法同步模式时序计算公式根据下面的时序图推算为：地址：SETUP:Tck-Tcomax-Tflight-Tsu0HOLD:Tcomin+Tflight-Thd0数据：TO方向：Tck-Tdcomax1-Tdflight-Tdsu20Tdcomin1+Tdflight-Tdhd20OFF方向：Tck-Tdcomax2-Tdflight-Tdsu10Tdcomin2+Tdflight-Tdhd1038两种常见的时序模型及时序裕量的计算