PCB信号完整性设计和测试应用

PCB信号完整性设计和测试应用

张蓉

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省 常州市 213000

摘要：高频高速电子产品的快速发展需要PCB具有高性能的系统结构，而不仅是有支撑作用的电子元器件。目前的电子系统设计普遍信号频率高于100MHz，用来进行信号传输的高频高速印刷电路板也越来越容易受到信号完整性问题的影响。因此，本文就PCB信号完整性设计和测试应用进行分析与探讨。

关键词：PCB；信号完整性；设计；测试

一、PCB设计概述

PCB设计环节中，整体能分成2个部分。其一，完成原理图的绘制，构建起模型环境，这是一种逻辑设计。在该步骤中，设计工程师需完成PCB模型逻辑，合理设置各项约束技术参数。其二，完成PCB的物理实体，基于原型的各种物理状况，实施合理化布局与布线部分的设计。而在该设计阶段，为确保电器特性满足使用需求，应当给IC或是网络图等内容配备约束条件，如此才能生成最后的设计方案。IC技术逐渐成熟，不仅推动PCB设计的稳定进步，还给此项设计工作提出其他要求，例如快速接口、低压元器件等，再加上元器件配备数目增多，引起新的紧密容差电路限制条件，这些变化给PCB设计也带来很多的不确定。

二、PCB设计流程分

（一）绘制原理图

原理图是制作线路板的基础依据。设计人员需先确定图纸规格、公制等，并选择合适的库元件。根据要求的电路功能模块，形成具体图样。原理图要保持美观、清楚，在元件管脚之间进行走线，表明此处无电器连接，并且尽可能不让两处元件管脚直接连接。在线条绘制完成后，通常能自动编号，随即添加相应的标称值，同时要注意图纸画面上编号与标称值的显示位置，通常在设计中会选择在左侧显示编号，标称值则放在右侧，也可以根据图纸内容，改成上下标注的方法，保证清晰、遵循统一规则即可。在绘制原理图中，要求设计师保障图中内容准确，通过电器规则检查确定无误后，进行打印核对。除此之外，设计工程师还要进一步细化电路原理，包括高低压、电流、信号、功率等，为后期布局创建便利的条件。

（二）叠层设计

PCB设计早期需结合具体项目的电源、信号数目、元器件管脚部署密度等条件，规划PCB板层数与布局顺序。通常来讲，相同材质的四层板和双面板相较，前者噪声比后者小20dB左右。对于信号频率超过5MHz或是上升沿在5ns以内，可优先考虑多层板结构。其相关设计参数设定标准为：按照管脚密度划分，每平方英寸（1in2≈6.45cm2）中，布置14以下的管脚，配备2个信号层与2个板层；管脚数量在14～23个之间，信号层数不变，板层数增加2层；23～35个管脚，要配备4个信号层以及6个板层；35～46个管脚，信号层数为6层，板层数为8层；46～70个管脚，信号层数设定为8层，板层数则设为12层；超过70个管脚，信号层数应设置成10个，板层数要超过14个。

在项目预算充足的前提下，需尽可能让各个电源、地层单独占据一层，并且电源与地层之间的距离需尽量接近，芯板应对称布局，临近的电源与地层能构成平板电容，能抵抗超过300MHz的外部扰动。另外，电源和地层的对称布局有利于预防PCB制作加工期间出现翘曲的问题。在二者之间形成的电场会受到边缘效应的影响，向外辐射引起电磁干扰。在前期设计中，需把电源层直接向内减少20H（H是指电源和地层之间充斥的介质厚度），这样可以抵消7/10左右的干扰。另外，在PCB设计中，低速信号层需布置在顶层或是地层，而高速信号层则需放在内层，同时还要接近电源及地层。

（三）元器件布局

对于元器件布局部分，设计工程师需分析机械干涉、散热效果、信号完整程度、焊点稳定性等内容。在PCB板顶层能布置体量大、工作热量产出多的元器件，而规格较小的贴片元件，可放置于底层。类似于接插件与插座等会多次使用的器件，需布置在顶层，并和周边元件之间留出充足的余量，避免在PCB板应用期间和附近构件发生机械干涉。而为使插接件可以就近应用，需把I/O驱动芯片设计到板层边缘附近。对于规格偏大的BGA封装芯片，不可直接部署在板中央，这样可降低变形的风险，防止相应焊点出现脱焊病害。结合当前电子产品行业的情况来看，有超过半数的产品失效和热环境应力存在较大的关联。PCB的热环境形成，外壳作用比较突出，DCDC效率及散热模块等紧随其后。在PCB设计中，功率管等产生热量较大的元器件，可利用导热胶和铝材质的散热构件进行贴合，并匀称分布于边缘区域，和外壳接触，这种布局可以在有限空间内，提升散热效果。假设工作温度偏高，便可借助风冷及水冷的方式控制热环境。其中，风冷系统里，感温特性突出的元件需部署在冷却气流上游，而热量产生过多的元件需布置在冷却气流的下方。

PCB的电路模块应按照具体的功能做好分区布置，具体包括数字、模拟与大电流开关等多个模块，通过分区设计，使相互之间的耦合效应尽可能被弱化。其中，数字电路可放于PCB板中间，这样能控制对外辐射程度；模拟电路的位置设计

，考虑到其易受干扰的问题，可将其放在边缘区域，扩大其和发热源的间距；ADC元器件则可放在上述两个电路交界位置。另外，晶振需布置在借鉴时钟芯片的位置，并在芯片电源引脚周边设置高频与储能类型的电源。

（四）布线规划

PCB项目的设计布线环节中，应综合考量信号完整度、电流驱动力、散热效果、可焊性等。具体来说，首先是信号完整度方面。PCB涉及到的信号完整度问题包括传输延迟、串扰、反射等。其中，对于信号传输期间的反射现象，能借助端接的方法或者说是阻抗匹配，在负载周边通过并联的形式接入电阻，解决信号反射的问题。同理，把信号线转弯点设置成圆弧状以及135°，也起到控制信号反射的作用。对于串扰现象，可通过合理缩短并行走线的长度，扩大相邻信号之间的距离加以处理。另外，根据设计经验，各条信号线之间的距离达到3W（W是指信号线的宽度），这样布线形式能直接消除7/10的串扰问题，而如果能把信号线距离扩大到10W，串扰程度能消除98%。根据现有研究成果来看，“过孔”在信号完整度上有着较大的影响，并且会在频率持续增大中不断提高作用力，同时也能借助过孔以及内电层的谐振波相应位置填设去耦电容，或是把过孔部署于内层谐振波节的位置来进行优化。另外，针对由于过孔引起的信号延迟情况，能利用适当减少过孔以及电路线蛇形走位调节时序的方式改进[3]。其次，电流驱动力方面。前期设计中，提升PCB电流驱动力的基本思路有拓展走线宽度、增加铜箔厚度以及调节过孔。其中，前两项与电流之间为正相关，所以，对于需要承担大多数电流的地线与电源线，需尽量提高其线宽。走线换层中会涉及到过孔，其大小参数对电流驱动力也有影响。对于需输送较多电流的部分走线，设计工程师可考虑添加更多过孔。再次，散热效果方面。在前期设计PCB中，电源与地层需大范围敷铜，这样能提高散热的效率。在敷铜期间，需选择网状的布设结构，这样设计可以控制铜箔和基板之间介质受热后释放的挥发性气体。同时，对于本身发热量较大的元器件，其接地铜皮需做好开窗处理，提高散热速度。最后，可焊性方面。PCB插件孔焊板和铜箔选择铜桥衔接方式时，铜桥宽度处于0.13～0.5mm之间，可以优化焊盘中的锡元素。在焊盘和大规格导线以及大面积铜箔进行连接时，要额外增设隔热带，这样能预防焊盘周边出现绿油脱落导致焊料堆在铜箔上，令元器件在焊接操作中发生倾斜“立碑”的状况。

（五）接地规划

在PCB设计项目中，接地是极为关键的部分，如果干扰信号超过5MHz，大多数是和PCB接地有联系。目前，设计工程师可选择的接地形式有单点、多点及混合3类。其中，单点接地比较适合信号频率不足1MHz的情况；多点接地则用在限号频率超过10MHz的项目中；混合接地模式则用在频率处于1~10MHz之间的情况。另外，布设数字器件与模拟器件的项目中，两类器件接地需分开设置，在边缘区域利用磁珠相连接地。假设地线未单独设置，需要在模块电路周围分布地线网络，该种设计成果可令地线形成完整闭合环路，以此控制电位差。同时，对于比较关键的高频高速信号，需在其周边通过两端接地的方式实现有效隔离，由此控制对外产生的电磁辐射量。

结束语

PCB设计直接影响电子产品的实际质量，熟知其设计流程及方法，可合理降低项目资金投入，并缩短设计周期。本文提出优化设计流程的思路，以提升PCB设计的实际效能。总之，PCB是高端电子领域的重要部分，也是多专业的产业，相信在更多研究及设计人才的加持下，PCB会有可观的发展前景。

参考文献：

[1]周敏杰.浅谈信号完整性之对称的重要性[J].电子产品世界,2023,30(03):89-92.

[2]楼向雄,高羽,张廷锴,刘天航.HBA卡的PCIe4.0信号完整性设计与实现[J].杭州电子科技大学学报(自然科学版),2023,43(02):1-7.DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2023.02.001.

[3]赵琴琴,邹玉莲,周绍祥,江桂东,黄炳依.Cadence设计PCB快速布局布线的方法[J].工业控制计算机,2023,36(05):142-143.