高速PCB设计指南之五

第二篇   PowerPCB在印制电路板设计中的应用技术

作者 :中国船舶工业总公司第七0七研究所 谷健
         印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子产品的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法，遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。
    一、 PCB设计的一般原则
    要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB，应遵循以下的一般性原则：
    1.布局
    首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
    在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：
    （1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
    （2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
    （3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
    （4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
    （5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

    根据电路的功能单元。对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
    （1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
    （2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
    （3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
    （4）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽双为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

    2.布线
    布线的原则如下：
    （1）输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
    （2）印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1～15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃。因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02～0.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小于5～8mil。
    （3）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
    3.焊盘
焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

    二、 PCB及电路抗干扰措施
    印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。
    1.电源线设计
    根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
    2.地线设计
    在电子产品设计中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子产品中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：
    （1）正确选择单点接地与多点接地
    在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
    （2）数字地与模拟地分开。
    电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。要尽量加大线性电路的接地面积。
    （3）接地线应尽量加粗。
    若接地线用很细的线条，则接地电位则随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
    （4）接地线构成闭环路。
    设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪能力下降，若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
    3.退藕电容配置
    PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是：
    （1）电源输入端跨接10～100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。
    （2）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4～8个芯片布置一个1～10pF的钽电容。
    （3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。
    （4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
    此外，还应注意以下两点：
    （1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2K，C取2.2～47uF。
    （2）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

    三、 PowerPCB简介
    PowerPCB是美国Innoveda公司软件产品。
    PowerPCB能够使用户完成高质量的设计，生动地体现了电子设计工业界各方面的内容。其约束驱动的设计方法可以减少产品完成时间。你可以对每一个信号定义安全间距、布线规则以及高速电路的设计规则，并将这些规划层次化的应用到板上、每一层上、每一类网络上、每一个网络上、每一组网络上、每一个管脚对上，以确保布局布线设计的正确性。它包括了丰富多样的功能，包括簇布局工具、动态布线编辑、动态电性能检查、自动尺寸标注和强大的CAM输出能力。它还有集成第三方软件工具的能力，如SPECCTRA布线器。
    四、 PowerPCB使用技巧
    PowerPCB目前已在我所推广使用，它的基本使用技术已有培训教材进行了详细的讲解，而对于我所广大电子应用工程师来说，其问题在于已经熟练掌握了TANGO之类的布线工具之后，如何转到PowerPCB的应用上来。所以，本文就此类应用和培训教材上没有讲到，而我们应用较多的一些技术技巧作了论述。
    1.输入的规范问题
    对于大多数使用过TANGO的人来说，刚开始使用PowerPCB的时候，可能会觉得PowerPCB的限制太多。因为PowerPCB对原理图输入和原理图到PCB的规则传输上是以保证其正确性为前提的。所以，它的原理图中没有能够将一根电气连线断开的功能，也不能随意将一根电气连线在某个位置停止，它要保证每一根电气连线都要有起始管脚和终止管脚，或是接在软件提供的连接器上，以供不同页面间的信息传输。这是它防止错误发生的一种手段，其实，也是我们应该遵守的一种规范化的原理图输入方式。
    在PowerPCB设计中，凡是与原理图网表不一致的改动都要到ECO方式下进行，但它给用户提供了OLE链接，可以将原理图中的修改传到PCB中，也可以将PCB中的修改传回原理图。这样，既防止了由于疏忽引起的错误，又给真正需要进行修改提供了方便。但是，要注意的是，进入ECO方式时要选择“写ECO文件”选项，而只有退出ECO方式，才会进行写ECO文件操作。
    2.电源层和地层的选择
    PowerPCB中对电源层和地层的设置有两种选择，CAM Plane和Split/Mixed。Split/Mixed主要用于多个电源或地共用一个层的情况，但只有一个电源和地时也可以用。它的主要优点是输出时的图和光绘的一致，便于检查。而CAM Plane用于单个的电源或地，这种方式是负片输出，要注意输出时需加上第25层。第25层包含了地电信息，主要指电层的焊盘要比正常的焊盘大20mil左右的安全距离，保证金属化过孔之后，不会有信号与地电相连。这就需要每个焊盘都包含有第25层的信息。而我们自己建库时往往会忽略这个问题，造成使用Split/Mixed选项。
    3.推挤还是不推挤
    PowerPCB提供了一个很好用的功能就是自动推挤。当我们手动布线时，印制板在我们的完全控制之下，打开自动推挤的功能，会感到非常的方便。但是如果在你完成了预布线之后，要自动布线时，最好将预布好的线固定住，否则自动布线时，软件会认为此线段可移动，而将你的工作完全推翻，造成不必要的损失。
    4.定位孔的添加
    我们的印制板往往需要加一些安装定位孔，但是对于PowerPCB来说，这就属于与原理图不一样的器件摆放，需要在ECO方式下进行。但如果在最后的检查中，软件因此而给出我们许多的错误，就不大方便了。这种情况可以将定位孔器件设为非ECO注册的即可。
    在编辑器件窗口下，选中“编辑电气特性”按钮，在该窗口中，选中“普通”项，不选中“ECO注册”项。这样在检查时，PowerPCB不会认为这个器件是需要与网表比较的，不会出现不该有的错误。
    5.添加新的电源封装
    由于我们的国际与美国软件公司的标准不太一致，所以我们尽量配备了国际库供大家使用。但是电源和地的新符号，必须在软件自带的库中添加，否则它不会认为你建的符号是电源。
    所以当我们要建一个符合国标的电源符号时，需要先打开现有的电源符号组，选择“编辑电气连接”按钮，点按“添加”按钮，输入你新建的符号的名字等信息。然后，再选中“编辑门封装”按钮，选中你刚刚建立的符号名，绘制出你需要的形状，退出绘图状态，保存。这个新的符号就可以在原理图中调出了。
    6.空脚的设置
    我们用的器件中，有的管脚本身就是空脚，标志为NC。当我们建库的时候，就要注意，否则标志为NC的管脚会连在一起。这是由于你在建库时将NC管脚建在了“SINGAL_PINS”中，而PowerPCB认为“SINGAL_PINS”中的管脚是隐含的缺省管脚，是有用的管脚，如VCC和GND。所以，如果的NC管脚，必须将它们从“SINGAL_PINS”中删除掉，或者说，你根本无需理睬它，不用作任何特殊的定义。
    7.三极管的管脚对照
    三极管的封装变化很多，当自己建三极管的库时，我们往往会发现原理图的网表传到PCB中后，与自己希望的连接不一致。这个问题主要还是出在建库上。
    由于三极管的管脚往往用E，B，C来标志，所以在创建自己的三极管库时，要在“编辑电气连接”窗口中选中“包括文字数字管脚”复选框，这时，“文字数字管脚”标签被点亮，进入该标签，将三极管的相应管脚改为字母。这样，与PCB封装对应连线时会感到比较便于识别。
    8.表面贴器件的预处理
    现在，由于小型化的需求，表面贴器件得到越来越多的应用。在布图过程中，表面贴器件的处理很重要，尤其是在布多层板的时候。因为，表面贴器件只在一层上有电气连接，不象双列直插器件在板子上的放置是通孔，所以，当别的层需要与表面器件相连时就要从表面贴器件的管脚上拉出一条短线，打孔，再与其它器件连接，这就是所谓的扇入（FAN-IN），扇出（FAN-OUT）操作。
    如果需要的话，我们应该首先对表面贴器件进行扇入，扇出操作，然后再进行布线，这是因为如果我们只是在自动布线的设置文件中选择了要作扇入，扇出操作，软件会在布线的过程中进行这项操作，这时，拉出的线就会曲曲折折，而且比较长。所以，我们可以在布局完成后，先进入自动布线器，在设置文件中只选择扇入，扇出操作，不选择其它布线选项，这样从表面贴器件拉出来的线比较短，也比较整齐。
    9.将板图加入AUTOCAD
    有时我们需要将印制板图加入到结构图中，这时可以通过转换工具将PCB文件转换成AUTOCAD能够识别的格式。在PCB绘图框中，选中“文件”菜单中的“输出”菜单项，在弹出的文件输出窗口中将保存类型设为DXF文件，再保存。你就可以AUTOCAD中打开个这图了。
    当然，pads中有自动标注功能，可以对画好的印制板进行尺寸标注，自动显示出板框或定位孔的位置。要注意的是，标注结果在Drill-Drawing层要想在其它的输出图上加上标注，需要在输出时，特别加上这一层才行。
    10. PowerPCB与ViewDraw的接口
    用ViewDraw的原理图，可以产生PowerPCB的表，而PowerPCB读入网表后，一样可以进行自动布线等功能，而且，PowerPCB中有链接工具，可以与VIEWDRAW的原理图动态链接、修改，保持电气连接的一致性。
    但是，由于软件修改升级的版本的差别，有时两个软件对器件名称的定义不一致，会造成网表传输错误。要避免这种错误的发生，最好专门建一个存放ViewDraw与PowerPCB对应器件的库，当然这只是针对于一部分不匹配的器件来说的。可以用PowerPCB中的拷贝功能，很方便地将已存在的PowerPCB中的其它库里的元件封装拷贝到这个库中，存成与VIEWDRAW中相对应的名字。
    11.生成光绘文件
    以前，我们做印制板时都是将印制板图拷在软盘上，直接给制版厂。这种做法保密性差，而且很烦琐，需要给制版厂另写很详细的说明文件。现在，我们用PowerPCB直接生产光绘文件给厂家就可以了。从光绘文件的名字上就可以看出这是第几层的走线，是丝印还是阻焊，十分方便，又安全。
    转光绘文件步骤：
    A．在PowerPCB的CAM输出窗口的DEVICE SETUP中将APERTURE改为999。
    B．转走线层时，将文档类型选为ROUtiNG，然后在LAYER中选择板框和你需要放在这一层上的东西。不注意的是，转走线时要将LINE,TEXT去掉（除非你要在线路上做铜字）。
    C．转阻焊时，将文档类型选为SOLD_MASK，在顶层阻焊中要将过孔选中。
    D．转丝印时，将文档类型选为SILK SCREEN，其余参照步骤B和C。
    E．转钻孔数据时，将文档类型选为NC DRILL，直接转换。
    注意，转光绘文件时要先预览一下，预览中的图形就是你要的光绘输出的图形，所以要看仔细，以防出错。
    有了对印制板设计的经验，如PowerPCB的强大功能，画复杂印制板已不是令人烦心的事情了。值得高兴的是，我们现在已经有了将TANGO的PCB转换成PowerPCB的工具，熟悉TANGO的广大科技人员可以更加方便的加入到PowerPCB绘图的行列中来，更加方便快捷地绘制出满意的印制板

第三篇   PCB互连设计过程中最大程度降低RF效应的基本方法

      电路板系统的互连包括：芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部器件之间的三类互连。在RF设计中，互连点处的电磁特性是工程设计面临的主要问题之一，本文介绍上述三类互连设计的各种技巧，内容涉及器件安装方法、布线的隔离以及减少引线电感的措施等等。

   目前有迹象表明，印刷电路板设计的频率越来越高。随着数据速率的不断增长，数据传送所要求的带宽也促使信号频率上限达到1GHz，甚至更高。这种高频信号技术虽然远远超出毫米波技术范围(30GHz)，但的确也涉及RF和低端微波技术。
    RF工程设计方法必须能够处理在较高频段处通常会产生的较强电磁场效应。这些电磁场能在相邻信号线或PCB线上感生信号，导致令人讨厌的串扰(干扰及总噪声)，并且会损害系统性能。回损主要是由阻抗失配造成，对信号产生的影响如加性噪声和干扰产生的影响一样。
    高回损有两种负面效应：1. 信号反射回信号源会增加系统噪声，使接收机更加难以将噪声和信号区分开来；2. 任何反射信号基本上都会使信号质量降低，因为输入信号的形状出现了变化。
     尽管由于数字系统只处理1和0信号并具有非常好的容错性，但是高速脉冲上升时产生的谐波会导致频率越高信号越弱。尽管前向纠错技术可以消除一些负面效应，但是系统的部分带宽用于传输冗余数据，从而导致系统性能的降低。一个较好的解决方案是让RF效应有助于而非有损于信号的完整性。建议数字系统最高频率处(通常是较差数据点)的回损总值为-25dB，相当于VSWR为1.1。
     PCB设计的目标是更小、更快和成本更低。对于RF PCB而言，高速信号有时会限制PCB设计的小型化。目前，解决串扰问题的主要方法是进行接地层管理，在布线之间进行间隔和降低引线电感(stud capacitance)。降低回损的主要方法是进行阻抗匹配。此方法包括对绝缘材料的有效管理以及对有源信号线和地线进行隔离，尤其在状态发生跳变的信号线和地之间更要进行间隔。
     由于互连点是电路链上最为薄弱的环节，在RF设计中，互连点处的电磁性质是工程设计面临的主要问题，要考察每个互连点并解决存在的问题。电路板系统的互连包括芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部装置之间信号输入/输出等三类互连。

一、芯片到PCB板间的互连
     Pentium IV以及包含大量输入/输出互连点的高速芯片已经面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且处理速率已经能够达到1GHz。在最近GHz互连研讨会(www.az.ww .com)上，最令人激动之处在于：处理I/O数量和频率不断增长问题的方法已经广为人知。芯片与PCB互连的最主要问题是互连密度太高会导致PCB材料的基本结构成为限制互连密度增长的因素。会议上提出了一个创新的解决方案，即采用芯片内部的本地无线发射器将数据传送到邻近的电路板上。
     无论此方案是否有效，与会人员都非常清楚：就高频应用而言，IC设计技术已远远领先于PCB设计技术。

二、PCB板内互连
  进行高频PCB设计的技巧和方法如下：
1. 传输线拐角要采用45°角，以降低回损(图1)；
2. 要采用绝缘常数值按层次严格受控的高性能绝缘电路板。这种方法有利于对绝缘材料与邻近布线之间的电磁场进行有效管理。
3. 要完善有关高精度蚀刻的PCB设计规范。要考虑规定线宽总误差为+/-0.0007英寸、对布线形状的下切(undercut)和横断面进行管理并指定布线侧壁电镀条件。对布线(导线)几何形状和涂层表面进行总体管理，对解决与微波频率相关的趋肤效应问题及实现这些规范相当重要。
4. 突出引线存在抽头电感，要避免使用有引线的组件。高频环境下，最好使用表面安装组件。
5. 对信号过孔而言，要避免在敏感板上使用过孔加工(pth)工艺，因为该工艺会导致过孔处产生引线电感。如一个20层板上的一个过孔用于连接1至3层时，引线电感可影响4到19层。
6. 要提供丰富的接地层。要采用模压孔将这些接地层连接起来防止3维电磁场对电路板的影响。
7. 要选择非电解镀镍或浸镀金工艺，不要采用HASL法进行电镀。这种电镀表面能为高频电流提供更好的趋肤效应(图2)。此外，这种高可焊涂层所需引线较少，有助于减少环境污染。
8. 阻焊层可防止焊锡膏的流动。但是，由于厚度不确定性和绝缘性能的未知性，整个板表面都覆盖阻焊材料将会导致微带设计中的电磁能量的较大变化。一般采用焊坝(solder dam)来作阻焊层。
    如果你不熟悉这些方法，可向曾从事过军用微波电路板设计的经验丰富的设计工程师咨询。你还可同他们讨论一下你所能承受的价格范围。例如，采用背面覆铜共面(copper-backed coplanar)微带设计比带状线设计更为经济，你可就此同他们进行讨论以便得到更好的建议。优秀的工程师可能不习惯考虑成本问题，但是其建议也是相当有帮助的。现在要尽量对那些不熟悉RF效应、缺乏处理RF效应经验的年轻工程师进行培养，这将会是一项长期工作。
    此外，还可以采用其他解决方案，如改进计算机型，使之具备RF效应处理能力。

三、PCB与外部装置互连
     现在可以认为我们解决了板上以及各个分立组件互连上的所有信号管理问题。那么怎么解决从电路板到连接远端器件导线的信号输入/输出问题呢？同轴电缆技术的创新者Trompeter Electronics公司正致力于解决这个问题，并已经取得一些重要进展(图3)。 另外，看一下图4中给出的电磁场。这种情况下，我们管理着微带到同轴电缆之间的转换。在同轴电缆中，地线层是环形交织的，并且间隔均匀。在微带中，接地层在有源线之下。这就引入了某些边缘效应，需在设计时了解、预测并加以考虑。当然，这种不匹配也会导致回损，必须最大程度减小这种不匹配以避免产生噪音和信号干扰。
     电路板内阻抗问题的管理并不是一个可以忽略的设计问题。阻抗从电路板表层开始，然后通过一个焊点到接头，最后终结于同轴电缆处。由于阻抗随频率变化，频率越高，阻抗管理越难。在宽带上采用更高频率来传输信号的问题看来是设计中面临的主要问题。