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1SignalIntegrity、EMC&HighSpeedPCBDesignPart5高速PCB设计技术A-PDFPPTTOPDFDEMO:Purchasefromwww.A-PDF.comtoremovethewatermark2课程内容第五部分高速PCB设计技术（2）互连和I/O分区隔离和分区（护沟）滤波和接地各种I/O设计安排背板、带状电缆和功能板连接器插针安排AC底板平面背板结构互连机械结构信号路由串音母板与子板连接实例高速PCB的电磁兼容设计原则高速PCB设计实践：数模电路的PCB设计高速PCB设计实践：高频小信号放电电路的PCB设计3互连和I/O分区功能子系统静寂区内部辐射噪声耦合隔离和分区（护沟）环绕桥接滤波和接地各种I/O设计安排4互连和I/O产生I/O电路RF辐射的原因I/O互连耦合的共模RF能量电源平面的开关噪声耦合到I/O电路和线缆时钟信号以传导和辐射方式耦合到I/O线缆数据信号线未滤波（共模和差模）接地形式不正确（机架、信号、数字和模拟）使用性能不好的I/O连接器（塑料的而非金属的、外露的而非屏蔽的）两电路间存在地电位差5互连和I/O正确的I/O设计将连接器的金属壳通过低阻抗路径连接到机架地上此路径必须是360度全方位的到机架地的完整实心金属搭接工作频率高于1MHz的电路在连接器入口处提供信号地或机架地，并且不能采用尾线形式连接I/O逻辑电路应尽量靠近连接器，以减少布线长度I/O电路通常要滤波，一般设在驱动器和连接器之间正确选择元件以减小RF耦合，避免共模和差模发射I/O在PCB上必须和RF高频，甚至中频电路分隔开6互连和I/O分区功能子系统功能子系统是指支持某种特定逻辑功能的一组元件，将这些元件靠近放置可以减少布线长度，提高性能分区布局有助于改善信号完整性，防止高频干扰源产生破坏性的干扰，影响串口、并口等。所有的I/O系统都应该按照单独的PCB来进行构想、设计和实现寂静区是指与数字、模拟以及其它功能区进行物理隔离的区域，防止PCB外的噪声源影响破坏本地的敏感电路所有I/O端口都必须单独分区，或者与数字电源/地平面进行隔离低频I/O端口可以放置旁路电容（470---1000pF）在靠近连接器的位置，将RF能量导引到零伏参考或机架地上控制PCB布线，防止滤波后的内部RF电流耦合到电缆屏蔽层上系统互连出口处必须设有干净或寂静的地，电源平面和地平面要同样对待7互连和I/O分区分区的主要目的是把恶劣的电源和地平面及其他功能区与干净或寂静的区域和部分分隔开来。或在恶劣的电源/地平面和干净或寂静的区域之间只设单一的连接，称之为桥要实现寂静区，必须进行分区，可通过如下方法I/O信号通过隔离变压器进入和离开系统（以太网、电信或光纤）数据线滤波通过高阻抗共模电感滤波使用铁氧体元件内部辐射噪声耦合在零参考平面上设置一个屏障（金属栅栏，间隔为所关心的最高频率的λ/20），以防止内部RF耦合在电源和地平面间使用旁路电容8互连和I/O隔离和分区（护沟）是指在物理上将元件、电路和平面与其他功能设备、区域和子系统分隔开。防止数字电流进入模拟地平面的方法在PCB上分区，分为模拟、数字和I/O区域。在所有平面上，沿分区边线除去区域之间的铜皮，以实现隔离。无铜区域就定义为护沟对于电源/地平面，护沟最小宽度为0.01in（0.25mm）将模拟地和数字地在一处并且仅在一处连接起来。该连接处是跨越护沟的桥将模拟器件的模拟部分置于桥的中间。任何情况下不允许信号线跨越护沟确保任何跨越模拟区与数字区的信号通过桥所在的位置，并且是位于紧邻桥的信号层对模拟电源和锁相环电路进行滤波，以去除数字噪声9互连和I/O隔离和分区（护沟）实现外部与岛屿间的布线、供电和接地环绕护沟：使用隔离变压器、光隔离器或数据线滤波器，将I/O区与PCB其他区域100%隔离开，隔离元件应具有适宜的滤波带宽以及具有足够的抗峰值电压冲击和静电放电防护的承受能力如果I/O连接器有金属壳，就必须通过低阻抗路径RF搭接到机架上，而不是数字地或隔离地上。如果接口规范禁止直接连接，可以在I/O电缆的屏蔽地与机架地之间使用旁路电容。共模数据线滤波器或扼流圈可与隔离变压器一起使用如果隔离区域需要供电和接地，则需要将跨越护沟的电源线用磁珠来实现连接，同时，地连接要使用单根印制线条，其宽度是电源线条宽度的3倍。两者应紧邻设置，有时还需退耦，可以接地，但不能跨越护沟。10互连和I/O隔离和分区（护沟）实现外部与岛屿间的布线、供电和接地护沟上的桥接：此桥是经护沟实现连接的唯一的地方，信号、地和电源线都从这里穿过。任何与隔离区无关的布线越过护沟时，都会导致严重后果，会产生RF环路电流有时只有电源平面需要隔离，地平面要通过桥连接起来。当电路需要公共地平面时，常采用这种技术，而电源则需要分别进行滤波和稳压滤波后的电源需经过磁珠跨过护沟连通。如果隔离区不需要模拟或数字电源，空闲的电源平面可以重新定义成地平面，在隔离区内通过过孔连接到主地平面上。桥的两端都应搭接到机架地上11互连和I/O滤波和接地滤波除光纤和特定类型的局域网和电信接口外，所有的I/O线都要进行滤波滤波的配置方式：容性和感性（或它们的组合）容性旁路滤波可滤除外部I/O电缆屏蔽层上的高频RF电流感性滤波可滤除数字元件和I/O互连线的差模RF电流滤波元件的性能差异：电容器、电感器和铁氧体电容器用来旁路RF能量，使之从电缆屏蔽层导入机架地，它工作在特定频点，对高压敏感。电感器不能用于滤波，电感会降低瞬态电流的流动速率，并因此加大干扰感应的机会，电感还会在器件之间造成电势差，可能会产生共模电流铁氧体是最佳滤波器件。如磁珠可以吸收RF能量，允许DC通过而不失真12互连和I/O寂静区划分每个区域与相邻区域之间完全隔离每个区域都可以认为是一个独立的PCB布置区域间的互连线未画出音频区视频区模拟区I/O区13护沟方式实现隔离---方法1DLF护沟最佳接地位置隔离变压器I/O连接器数据线滤波器(DLF)无电压和接地平面磁珠桥接电源（仅限于）进入护沟隔离区，不得使用电感如果需要地线，应是电源线宽度的3倍可选退耦电容，通常接到地，不能跨过护沟14护沟方式实现隔离---方法2I/O连接器护沟可选电源需要时由磁珠跨过护沟连接到电源平面上旁路电容护沟上的桥15互连和I/O正确使用护沟16互连和I/O适用于防止RF发射护沟位于数据线滤波器和电容器的中心位置，对于不同的I/O连接器，所有或部分连接器可能需要设在护沟环绕区内护沟I/O连接器100PF数据线滤波器I/O连接器17互连和I/O护沟I/O连接器100PF数据线滤波器I/O控制器电源和地平面上都不铺设铜适用于防止RF发射和ESD保护对于不同的I/O连接器，所有或部分连接器可能需要设在护沟环绕区内18背板、带状电缆和功能板连接器插针安排AC底板平面背板结构互连机械结构信号路由线条长度/信号终端串音接地环路控制背板接地层的切缝19背板、带状电缆和功能板连接器插针安排20背板、带状电缆和功能板AC底板平面有些应用中，除零电位参考平面，还需要AC底板平面除了旁路电容（0.1uF），AC底板平面不与其它平面直接相连接AC底板平面必须靠近一个电位参考平面，这可以有效减少分立电容的使用。高频时，AC底板平面与其他参考平面的紧耦合，使数字零电位参考平面短接到底板低频时，数字逻辑回流平面与底板必须是电气隔离的背板结构布线层数：背板起码用4层板，根据具体要求决定是采用外层用作信号布线层，还是外层用作接地层。接线插槽数：插槽数越多，集总分布电容越大，会降低信号质量。电气长的线条要端接21背板、带状电缆和功能板互连选择I/O连接器应该能使边沿速率的改变不降档连接器的阻抗失配要最小连接器必须提供足够的接地和电源插针，以保证整个装配结构保持恒定的阻抗连接器用于高速工作时，也必须考虑反弹对信号传输质量的影响互连线的平行布线技术使所有线条布线的不连续段尽可能短在连接器的安装空间中或输出的引出端里尽可能多设置接地点在连接器内设置一个共模参考地使用低介电常数材料使RF回流路径尽量靠近信号路径22背板、带状电缆和功能板信号路由应该避免使用跳线在层间布置高危信号线（复位、时钟、音频、视频、模拟、高速传输），如果可能，所有的从源端到负载的线条都要布放在同一信号层。只有在负载元件处于长线条的末端且相互靠近时，才允许使用菊花链式的连接。其他情况都应采用终端匹配的辐射状布线。使用I/O连接器和互连线时，减小接头残端很重要（T形或分叉）。非时钟或非周期信号线上，T形接头的最大布线长度要限制在1in之内，在高危信号线上绝不允许有T形残端。设计或路由问题必须使用T形残端，应使其尽量短，不要超过器件的物理尺寸。背板上的印制线条长度一定不要超过RF电气长度。为了防止平行印制线条间的串音干扰，两条线间距要满足3W原则。敏感线条两侧所附加的接地保护线也要遵循3W原则。23背板、带状电缆和功能板串音与平行线条的串音相关的主要考虑是防止一个线条上（信号源线）的电噪声对受扰线条产生有害干扰。大的总线结构考虑三种传播模式：线条到线条的耦合线条到结构的耦合结构到结构的耦合两种布线技术提供RF回路3W原则最佳安排是改变信号的传输的路径，使之在信号线条和零电位参考面或地之间实现。零电位参考线靠近每一个信号线在装配结构中，一个地平面或RF回流路径靠近所有的信号线。用双绞线带状电缆。24多层印制板母板和子板的连接回路—1回路25多层印制板母板和子板的连接回路—1回路改进26多层印制板母板和子板的连接回路—1回路27多层印制板母板和子板的连接回路—2回路改进28PCB的电磁兼容设计原则OtherTraceClockTraceOtherTrace3W3W2W2WWGroundPlaneWWW≥2W≥2W≥W≥WDifferentialPairTracePCB走线3W规则：针对pcb上走线串扰而提出的一种布线规则即走线间的距离间隔（中心对中心）应该至少是走线宽度的3倍(可以减少70%的辐射能量)For98%FluxBoundary,use10-WRule差分线对走线的间隔应该为1W，与其它走线的距离依然遵循3W原则走线到板边缘的距离至少保留1W29PCB的电磁兼容设计原则多层PCB的电磁兼容设计设计规则5/5规则：当时钟频率超过5MHz或者上升时间小于5ns时，pcb的设计就需要使用多层pcb该规则不是绝对的，只要合理设计和布局，满足5/5规则的电路也可用双层板完成设计20H规则：变化的电流就会产生电磁场向外辐射的现象，而在电源层的边缘由于存在磁通泄露将会产生边缘现象，即从电源层与地层边缘发生RF辐射现象。为减少这一现象的影响，所有电源层的物理尺寸都要比与它最近的地层的物理尺寸小3020-HRuleHHH20H20HRF20H当pcb电源层的物理尺寸比相邻的地层尺寸小10H时，辐射强度开始下降尺寸差距达到20H时，辐射强度下降70%，尺寸差达到100H时，辐射强度下降98%H是电源层与最近地层之间的间距采用20H规则时，在邻近信号层上处于上述无覆铜区的任何走线必须重新布线，如果pcb上有多个功能子系统，则也需要在高频区域内采用20H规则3120-H规则如果电路板工作在自谐振频率的任意谐波频率时，20-H规则不再起作用，扩展的地平面不再吸收辐射能量，更糟的是还会产生大量的辐射能量。所以在实际的高速电路中，需要根据不同的情况决定是否应陔使用20-H规则。32PCB的电磁兼容设计原则多层PCB的电磁兼容设计设计规则Rent准则Rent：IBM工程师大多数正方形电路板分为4个象限时，半数走线将在各个象限之间连接，而剩下的走线能够在各个象限内部连接。进一步细分象限，可以得到同样的结果假设在两个象限之间的走线的平均长度等于象限之间的距离，则走线的总的平均长度等于板子边缘长度的3/8如果走线的平均长度和走线的总数已知，则可以计算出走线在任意走线间距时所占有的总面积如果采用M层的固定面积的pcb上，