【文章內(nèi)容簡介】 對并聯(lián)電容幅頻特性的影響阻抗的峰值與電容器的ESR的值成反比，隨著單板設(shè)計水平與器件性能的提高，并聯(lián)電容的阻抗的峰值將會隨著ESR的減小而增加，并聯(lián)諧振峰值的形狀與位置取決于PCB板的設(shè)計與電容的選擇。有幾條原則應(yīng)該了解：隨著ESR的減小，諧振點的阻抗會減小，但反諧振點的阻抗會增大；n個相同電容并聯(lián)使用時，最小阻抗可能小于ESR/n；多個電容并聯(lián)時，阻抗并不一定發(fā)生在電容的諧振點；對于給定數(shù)量的電容器，比較好的選擇是電容值在一個較大的范圍內(nèi)均勻展開，各個電容值的ESR適中；比較差的選擇是僅有少量的電容值，而且電容的ESR都非常小。 ESL對并聯(lián)電容幅頻特性的影響電容封裝和結(jié)構(gòu)不同，ESL也不同。電容的ESL與電容值一起決定電容器的諧振點與并聯(lián)電容器的反諧振點的頻率范圍。在實際的設(shè)計中，應(yīng)該盡量選用ESL小的電容器。 電容器的選擇對于RF設(shè)計而言，陶瓷電容器、聚酯纖維電容器和聚苯乙烯薄膜電容器都是很好的選擇。對于EMI濾波器來講，對電容器的介質(zhì)材料要求并不高，常見的X7R、Y5V和Z5U等松散介質(zhì)都是不錯的選擇；通常絕對的電容值、電容器的溫度系數(shù)、電壓變化系數(shù)等并不重要。 去耦電容與旁路電容的設(shè)計建議以供應(yīng)商提供的產(chǎn)品資料上的自諧振特性為基礎(chǔ)選擇電容，使之符合設(shè)計的時鐘速率與噪聲頻率的需要。在所需要的頻率范圍內(nèi)加盡可能多的電容。在盡可能靠近IC每個電源管腳的地方，至少放一個去耦電容器，以減小寄生阻抗。旁路電容與IC盡可能放在同一個PCB平面上。對于多時鐘系統(tǒng)可以將電源平面作分割，對每一個部分使用一種正確容值的電容器，被狹縫分隔的電源平面將一部分的噪聲與其他部分的敏感器件分隔開來，同時提供了電容值的分離；對于時鐘頻率在一個較寬的范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)，旁路電容的選擇甚為困難。一個較好的解決方法是將兩個容值上接近2：1的電容并聯(lián)放置，這樣做可以提供一個較寬的低阻抗區(qū)，和一個較寬的旁路頻率。 儲能電容的設(shè)計儲能電容可以保證在負載快速變到最重時供電電壓不會下跌。儲能電容可分為板極儲能電容、器件級儲能電容兩種：A，板極儲能電容：保證負載快速變到最重時，單板各處供電電壓不會下跌。在高頻、高速單板（以及條件允許的背板），建議均勻排布一定數(shù)量的較大容值的鉭電容（1uf、10uf、22uf、33uf），以保證單板同一電壓的值保持一致。B，器件級儲能電容： 保證負載快速變到最重時，器件周圍各處供電電壓不會下跌。對于工作頻率、速率較高、功耗較大的器件，建議在其周圍排放1—4個較大容值的鉭電容（1uf、10uf、22uf、33uf），以保證器件快速變換時其工作電壓保持不變。儲能電容的設(shè)計應(yīng)該與去耦電容的設(shè)計區(qū)別開來。有以下設(shè)計建議：當(dāng)單板上具有多種供電電壓時，對一種供電電壓儲能電容仍然只選用一種容值的電容器，一般選用表貼封裝的Tantalum電容（鉭電容），可以根據(jù)需要選擇10uf、22uf、33uf等；不同供電電壓的芯片構(gòu)成一個群落，儲能電容在這個群落內(nèi)均勻分布。4 地的分割與匯接接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備EMC性能的重要手段之一。正確的接地既能提高產(chǎn)品抑制電磁干擾的能力，又能減少產(chǎn)品對外的EMI發(fā)射。 接地的含義電子設(shè)備的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”（安全地），另一種是“系統(tǒng)基準地”（信號地）。接地就是指在系統(tǒng)與某個電位基準面之間建立低阻的導(dǎo)電通路?！敖哟蟮亍本褪且缘厍虻碾娢粸榛鶞?，并以大地作為零電位，把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準點與大地相連接。把接地平面與大地連接，往往是出于以下考慮：A，提高設(shè)備電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；B，靜電泄放；C，為操作人員提供安全保障。在交換、接入網(wǎng)等產(chǎn)品中，一般單板的拉手條都通過拉手條的定位孔與保護地連接，以便靜電瀉放。 在做PON16的ESD實驗。由于DMU的拉手條沒有接PGND（本應(yīng)金屬化處理的定位孔被誤設(shè)計成非金屬化孔，致使該板的拉手條并未接到保護地上）。故在機殼(局端或者遠端)的后面板進行靜電試驗(接觸放電和空氣放電)時，容易引起復(fù)位。更改焊盤設(shè)計，拉手條接PGND后，復(fù)位問題解決，ESD測試通過。 接地的目的A，安全考慮，即保護接地；B，為信號電壓提供一個穩(wěn)定的零電位參考點（信號地或系統(tǒng)地）；C，屏蔽接地。 基本的接地方式電子設(shè)備中有三種基本的接地 方式：單點接地、多點接地、浮地。 單點接地單點接地是整個系統(tǒng)中，只有一個物理點被定義為接地參考點，其他各個需要接地的點都連接到這一點上。單點接地適用于頻率較低的電路中（1MHZ以下）。若系統(tǒng)的工作頻率很高，以致工作波長與系統(tǒng)接地引線的長度可比擬時，單點接地方式就有問題了。當(dāng)?shù)鼐€的長度接近于1/4波長時，它就象一根終端短路的傳輸線，地線的電流、電壓呈駐波分布，地線變成了輻射天線，而不能起到“地”的作用。為了減少接地阻抗，避免輻射，地線的長度應(yīng)小于1/20波長。在電源電路的處理上，一般可以考慮單點接地。對于我司大量采用的數(shù)字電路，由于其含有豐富的高次諧波，一般不建議采用單點接地方式。 多點接地多點接地是指設(shè)備中各個接地點都直接接到距它最近的地平面上，使接地引線的長度最短。多點接地電路結(jié)構(gòu)簡單，接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少，適用于工作頻率較高的（10MHZ）場合。但多點接地可能會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路，從而降低設(shè)備對外界電磁場的抵御能力。在多點接地的情況下，要注意地環(huán)路問題，尤其是不同的模塊、設(shè)備之間組網(wǎng)時。地線回路導(dǎo)致的電磁干擾：理想地線應(yīng)是一個零電位、零阻抗的物理實體。但實際的地線本身既有電阻分量又有電抗分量，當(dāng)有電流通過該地線時，就要產(chǎn)生電壓降。地線會與其他連線（信號、電源線等）構(gòu)成回路，當(dāng)時變電磁場耦合到該回路時，就在地回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并由地回路耦合到負載，構(gòu)成潛在的EMI威脅。 浮地浮地是指設(shè)備地線系統(tǒng)在電氣上與大地絕緣的一種接地方式。由于浮地自身的一些弱點，不太適合于我司一般的大系統(tǒng)中，其接地方式很少采用，在此不作詳細介紹。 以上各種方式組成的混合接地方式 關(guān)于接地方式的一般選取原則：對于給定的設(shè)備或系統(tǒng)，在所關(guān)心的最高頻率（對應(yīng)波長為）入上，當(dāng)傳輸線的長度L〉入，則視為高頻電路，反之，則視為低頻電路。根據(jù)經(jīng)驗法則，對于低于1MHZ的電路，采用單點接地較好；對于高于10MHZ，則采用多點接地為佳。對于介于兩者之間的頻率而言，只要最長傳輸線的長度L小于/20 入，則可采用單點接地以避免公共阻抗耦合。對于接地的一般選取原則如下：（1）低頻電路（1MHZ），建議采用單點接地；（2）高頻電路（10MHZ），建議采用多點接地；（3）高低頻混合電路，混合接地。對于系統(tǒng)、背板的接地方式以及單板接地的詳細介紹請見下文。 系統(tǒng)接地方式關(guān)于系統(tǒng)接地方式的詳細介紹請參見《接地規(guī)范》。 背板接地方式對于我司現(xiàn)有除交換以外的產(chǎn)品，其系統(tǒng)工作頻率均在10MHZ以上，且多為含有豐富的高次諧波的數(shù)字電路，建議除BGND以外，所有地均在背板匯接（多點連接，即，除BGND以外的其他地，如GND、PGND、AGND、DGND等，全部從單板直接與背板就近連接）。案例：10G背板多點連接與單點接地的比較。（結(jié)果等待中） 單板接地方式在電路這一級上專門提出對接地的具體要求是不合適的。對具體單板而言，我們一般根據(jù)器件手冊，進行必要的分割處理。對于單板不同類型地之間的匯接，建議通過磁珠完成，或者直接在PCB上單點貫通。對于未通過磁珠而直接單點連接的電源，()的電容進行濾波處理（一端接該電源，另一端接對應(yīng)的地）。在電源、地的分割方面要注意切斷EMI通過參考平面從初級竄到次級的途徑，尤其是在濾波器、共模線圈、磁珠等器件的分割處理上。第二部分 布線1 傳輸線模型及反射、串?dāng)_ 概述：在高速數(shù)字電路PCB設(shè)計中，當(dāng)布線長度大于20分之一波長或信號延時超過6分之一信號上升沿時，PCB布線可被視為傳輸線。傳輸線有兩種類型:微帶線和帶狀線。與EMC設(shè)計有關(guān)的傳輸線特性包括：特征阻抗、傳輸延遲、固有電容和固有電感。反射與串?dāng)_會影響信號質(zhì)量，同時從EMC的角度考慮，也是EMI的主要來源。 傳輸線模型關(guān)于傳輸線的分布參數(shù)模型在CAD室《信號質(zhì)量控制流程》等資料中已有詳盡介紹，此處從略。 傳輸線的種類 微帶線（microstrip）定義：與參考平面相鄰的表層布線。 帶狀線（Stripline）定義：在兩參考平面之間的PCB布線 傳輸線的反射傳輸過程中的任何不均勻(如阻抗變化、直角拐角)都會引起信號的反射，反射的結(jié)果對模擬信號（正弦波）是形成駐波，對數(shù)字信號則表現(xiàn)為上升沿、下降沿的振鈴和過沖。這種過沖一方面形成強烈的電磁干擾，另一方面對后級輸入電路的保護二極管造成損傷甚至失效。一般而言。在下面的圖中，信號源阻抗、負載阻抗是造成信號來回反射的原因。由于反射而在信號的上升沿和下降沿引起上沖、下沖和振鈴，這些過沖和振鈴不僅影響信號的完整性，而且是主要的EMI發(fā)射源。 串?dāng)_由于在相鄰PCB布線之間存在寄生電容CSV，高頻信號會通過CSV引起互相干擾，在一路有脈沖信號通過時，另一路上在脈沖的上升沿和下降沿位置有干擾脈沖出現(xiàn)，這就是PCB布線間的串?dāng)_。串?dāng)_一方面影響信號質(zhì)量，同時串?dāng)_脈沖也是EMI的主要發(fā)射源。 影響傳輸線間串?dāng)_的因數(shù)有：耦合長度L、源端、負載端的輸入、輸出阻抗，介電常數(shù)，傳輸線的寬度W、厚度T，與參考平面的高度H（換個角度： 分布電容 CSV、寄生電容 Cti、耦合電感L）2 優(yōu)選布線層對于時鐘、高頻、高速、小、弱信號而言，選擇合適的布線層相當(dāng)重要,對于那些高速總線，其布線層的選擇一樣不能忽視；讓我們先對表層與內(nèi)層的走線（即微帶線與帶狀線）進行一些比較 表層與內(nèi)層走線的比較注：微帶線和帶狀線已在上一章中介紹過，為方便閱讀，此處再次附上。 微帶線（Microstrip）定義：與參考平面相鄰的表層布線。 微帶線與帶狀線的比較微帶線與帶狀線的比較：1，微帶線的傳輸延時比帶狀線低（38 .1(ps/inch)）；2，在給定特征阻抗的情況下，微帶線的固有電容比帶狀線??；3，微帶線位于表層，直接對外輻射；帶狀線位于內(nèi)層，有參考平面屏蔽；4，微帶線可視，便于調(diào)試；帶狀線不可視，調(diào)試不便；考慮到參考平面的屏蔽作用，現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)表明微帶線的輻射比帶狀線大20DB左右。我們知道，EMI的對外傳播途徑主要有傳導(dǎo)和輻射兩種；對于傳輸線而言，這兩種途徑也同樣存在；對于帶狀線，由于其夾在兩平面之間，其輻射途徑得到較好的控制，其主要對外傳播途徑為傳導(dǎo)，即我們需要重點考慮的是其供電過程中的電源、地的紋波以及與相鄰走線之間的竄擾。而對于微帶線，除具有帶狀線的傳導(dǎo)途徑外，其自身對外的輻射對我們的EMC指標至關(guān)重要；當(dāng)然，并非所有表層的走線的輻射都值得我們關(guān)注，在稍后特殊信號的處理一章里，我們對主要輻射信號的種類將加以探討； 從EMC的角度，我們需要對以下兩種布線加以關(guān)注：1，強輻射信號線（高頻、高速，尤以時鐘線為甚），對外輻射；2，小、弱信號以及對外界干擾非常敏感的復(fù)位等信號，易受干擾；對于這兩類線，我們必須給予充分的關(guān)注，在情況允許的前提下，建議考慮內(nèi)層布線；并擴大他們與其他布線的間距，甚至加屏蔽地線進行隔離；（至于有那些布線需要我們特殊關(guān)注，在特殊信號處理一章，我們會有較深入的探討）。注：一般而言，器件自身的輻射指標因素在器件設(shè)計過程中已考慮，我們假定器件自身已滿足輻射指標（特殊器件會有其對應(yīng)的屏蔽等解決措施），這里，我們主要考慮的是傳輸線的對外輻射。對比Simense、Motorola的同類PCB板，我們可發(fā)現(xiàn)其表層很少布線，埋盲孔的使用，保證了參考平面的完整性，也為表層的屏蔽效果提供了保證；而我司目前出于成本的考慮以及尚未對單板的EMI輻射引起足夠的重視，因而表層布線相當(dāng)普遍，甚至超過內(nèi)層的布線密度。鑒于我司現(xiàn)有的PCB設(shè)計周期，普通CAD工程師很難對單板的信號有個全面的了解。從交換產(chǎn)品巴西項目的EMC測試情況來看，一些頻率、速率并不高的時鐘等信號線，其對外輻射指標遠遠超過其他信號線的輻射，從EMC的角度，建議關(guān)鍵信號（尤其是時鐘信號，具體種類后文有說明）優(yōu)先考慮內(nèi)層布線，其他信號（尤其對其輻射情況不明了的信號）盡可能考慮內(nèi)層布線；整板輻射基線較高的PCB板，應(yīng)考慮采用表層屏蔽或單板加屏蔽罩等處理方式。 布線層的優(yōu)先級別根據(jù)我們現(xiàn)有的資料、經(jīng)驗，我們對優(yōu)選布線層給出如下一般原則：A，優(yōu)先考慮內(nèi)層；B，優(yōu)先考慮無相鄰布線層的層，或雖有相鄰布線層，但相鄰布線層對應(yīng)區(qū)域下無走線；C，內(nèi)層布線優(yōu)先級別，L L L ；(即優(yōu)選地作參考平面)D，確保關(guān)鍵走線未跨分割區(qū)的布線層；需要強調(diào)的是：PCB的設(shè)計需要綜合考慮功能實現(xiàn)、成本、EMC、工藝、美觀等多種因素，在優(yōu)選布線層上，沒有一成不變的原則。以上建議作為一般指導(dǎo)原則，僅供大家在進行PCB設(shè)計時參考。CAD工程師的價值也就在于在多種因素中，折衷考慮，找到最佳解決途徑。例如：在布局部分第一章關(guān)于十層板有如下層排布方案：方案電源地信號123456789101136S1G1S2S3G2PS4S5G3S62145S1G1S2G2S3G3PS4G4S53235S1G1S2P1S3G2P2S4G3S54244S1G1S2G3P1P2G3S3G4S4在方案1里，由于SS3均在內(nèi)層，且夾在兩地平面之間，在布關(guān)鍵信號時，我們首先考慮SS3，并保證層間無平行長線（關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)）；SS5與SS3基本相同，但夾在電源、地平面之間，根據(jù)我們現(xiàn)有掌握的情況，電源、地平面之間的EMC環(huán)境差于兩地平面之間