高速PCB设计小总结

        自以为PCB设计无非是导线的集成，是元器件的连连看。但烧了几块QFN芯片后才真正认识到里面门道之深，浅浅学习了一些资料，在此整理、总结一下，欢迎指正、讨论、补充。

        PCB作为导线的集成，其最经常的作用是作为一个输入输出的接口。主要有电源输入输出、信号输入输出。前者主要考虑过电流能力和散热，后者就需要考虑到信号在铜箔上传输时的阻抗、反射和EMC，这是设计上极具灵活性的地方。

一、何为高速信号？（什么样的信号线要作为高速信号线关照）

# 高速信号是指信号在传输过程中，其特性（如上升/下降时间、频率等）使得电路设计必须考虑信号完整性（Signal Integrity, SI）、电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility, EMC）

# 笼统地说，数字电路频率超过45Mhz，且这个频段在系统中占据显著比例，当然实际得分场景，因为即使频率不高，但若信号边沿速率高也会导致高速效应。

# 高速指的是信号快速的变化，当变化块到一定程度时，其变化速率使得接收、识别的速度“跟不上”了。

# 这类信号不再是简单的“电压高低”问题，而是需要从电磁波传播的角度分析其行为。

高速信号的核心特征

# 快速边沿时间（Rise/Fall Time）

 · 信号的上升/下降时间（从10%到90%幅值的时间）极短（如纳秒级甚至皮秒级）。

· 边沿时间越短，信号的高频成分越丰富，更容易引发反射、串扰等问题。

· 一般业界规定当信号的传播延时超过数字信号上升时间的一半时，可视此信号为高速信号。

（反言之，数字信号上升/下降时间极短，短到小于两倍数字信号传播延时的时候，可视为高速信号）

# 高频成分显著

· 根据傅里叶变换，信号的带宽由上升时间决定：

   Bandwidth ≈0.35 / Rise Time

· 例如，上升时间1ns的信号带宽约为0.35 / 1ns = 350MHz。

# 传输线效应明显（Transmission Line Effect）

· 当信号波长（λ= c / f）与走线长度可比拟时，需考虑传输线效应。

· 经验法则：若走线长度 > ​0.1×信号波长λ，或信号上升时间 < 2×传输延迟，必须按高速信号处理。

例： 假设信号频率 1 GHz，在典型的印刷电路板（PCB）上的波长是真空中的50%，那么在电路板内传输的波长为150mm。当传输线长度 ( L ) 大于或等于 37.5 mm时，就需要考虑传输线效应。

二、传输线与回流路径

什么是传输线?

· 可传输信号的走线即传输线。微带线（microstrip）、带状线（stripline）、同轴电缆（coax）是常见的传输线。

· 微带线是在PCB表层的走线，仅仅有一边是导体平面，往往一边是绝缘电介质，一边是空气。其容易受到辐射干扰，但是传输速度比带状线快。

· 带状线位于两个导体平面内，在PCB内层走线，受干扰小，但传输速率较慢。

· 微带线和带状线还有许多拓扑结构，如双带状线、不对称带状线、差分微带线和差分带状线，查阅工具书可得阻抗公式。

· 走线不是理想模型，任何走线都有传输线效应。但是对于高频信号，其信号的传输过程中表现出的阻抗特性会导致传输过程中出现延迟、衰减、反射和失真的现象。

什么是回流路径？

· 传输线由两条有一定长度的导线组成，一条为信号路径，另一条为返回路径。（此现象可以用基尔霍夫定律第一定律+由一系列电容器组成的传输线零阶模型来解释）

传输线及电流返回路径

传输线的零阶模型

回流路径的影响

三、阻抗匹配

# 什么是阻抗

传输线不是理想模型。将信号在传输线的传递过程比作走路，走到的每一点都会在传输线和参考平面之间形成电场，又由于电场存在，会有电流存在，那么每一步都会有微小电流，此时传输线每一点都会等效成一个电阻，这个电阻就叫特性阻抗。

若忽略电阻的耗散，可化简为右式。

高速DSP系统设计参考指南（二）传输线（TL）效应_传输线效应-优快云博客

# 为什么要阻抗匹配

# 什么是反射

四、如何控阻抗及阻抗匹配常用方法、

# 正确计算匹配阻抗

阻抗和PCB板介质、铜厚、线宽、材料息息相关，故不同的PCB生产厂家的阻抗计算公式不可直接套用。

# 合理分布回流路径

包括添加回流缝地合孔

合理分割参考平面以避免跨分割走线

# 合理布局板层

# 分配专用层

# 电源层分割

# 合理的电源拓扑布局

# 合理的参考电位拓扑布局

# 3W原则

# 20H原则

# 滤波电容的合理分布

就近原则

输出信号的打孔在滤波电容后

输入信号的打孔在滤波电容前

# 合理设置线宽

# 合理设置过孔数量

# 减少桩线

PS：屏蔽地过孔和回流地过孔的区别

五、差分信号

实践中遇到的失效形式总结：

① PCB供电模块的失效形式及解决办法

击穿：合理间距+放电尖峰

# 当高压和底线过于接近的时候，比如高压和地线间距过近，或者地铜和高压过近，可能出现高压击穿空气，与地连接的情况，反复多次会出现碳化。

# 解决办法：尽量保证高压和地的距离，在偶有高压的情况下，可设置放电齿将击穿引导到不影响板子运行的位置。

过热：铺铜开窗+加宽走线

# 芯片或功率器件会有较大的发热量，其可通过铺铜开窗或者的方法加快导热。此外可通过在板子外部涂抹硅脂、加装散热翅片等方法加快热量散去。

# 大电流也会导致板子的升温，此时过热可能是由于走线过窄的原因，加大线宽有利于减小线路的电阻以减少发热量，同时面积增大更也有利于热量发散。

走线宽度 =(电流*阻抗）/电流密度
其中，阻抗可以通过查阅相关资料或使用阻抗计算工具获得，电流密度通常取值为1~5A/mm2。

根据 IPC 2221 的定义，你可以使用计算通过走线的允许电流的公式找到 PCB 的走线宽度。过程如下

I=k * (ΔT^0.44) * (A^0.725)

I 代表电流，取为常数

ΔT是指温度的变化

A是走线的截面积。

变换方程得到走线宽度的公式。

面积 = {电流 / 【k * （温升) ^ 0.44】} ^ (1/0.725)

宽度 = 面积/(厚度*1.378)

单位：面积[mil^2]、宽度[mils]、电流单位[A]、温度上升[℃]、厚度[oz]

k = 0.048

然后，考虑走线的厚度才能找出所需的宽度。

宽度[mils] = 面积[mils^2]/(厚度[oz]*1.378[mils/oz])

但实际中会有较大的富余量，可参考下述的经验表格来进行设计

PS：电路是一个闭环，故任何电流都要回流到地，在设计中也要给器件充分的回流地线，且尽可能越短越好。

② PCB信号传输常见干扰源及解决办法

反射：泪滴

        泪滴是焊盘与导线或者是导线与导孔之间的滴装连接过度，设置泪滴的目的是在电路板受到巨大外力的冲撞时，避免导线与焊盘或者导线与导孔的接触点断开，另外，设置泪滴也可使PCB电路板显得更加美观。

        teardrop的作用是避免信号线宽突然变小而造成反射，可使走线与元件焊盘之间的连接趋于平稳过渡化，解决了焊盘与走线之间的连接容易断裂的问题。在电路板设计中，为了让焊盘更坚固，防止机械制板时焊盘与导线之间断开，常在焊盘和导线之间用铜膜布置一个过渡区，形状像泪滴，故常称做补泪滴( Teardrops )

1、焊接上，可以保护焊盘，避免多次焊接是焊盘的脱落

2、加强连接的可靠性(生产是可以避免蚀刻不均，过孔偏位出现的裂缝等)

3、平滑阻抗，减少阻抗的急剧跳变

阻抗：弧线走线

寄生电容干扰：三倍线宽原则

20H原则

地0参考电位不稳：接地形式+滤波电容

PCB电流环路

回流

信号层和地层分布

③ 关于铺铜的取舍

铺铜的用处

铺铜的负面影响，铜产生涡流，磁场，电感下面不铺铜

关于分割铜区

TBC...

 参考文献：

PCB大神总结5大设计经验！ 真得很受用！ - 哔哩哔哩

PCB走线宽度定义与计算方法详解 - PCB设计 - 电子发烧友网

microstrip（微带线）、stripline（带状线）的区别_stripline和microstrip的区别-优快云博客

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性？-电子发烧友网

(56 条消息) 什么情况下需要考虑传输线效应? - 知乎

https://www.youtube.com/watch?v=nPx2iqmVAHY&t