PCB设计的阻抗控制和阻抗匹配

·2005第04期· ELECTRONICS QUALITY Quality Engineering 质 量 工 程 卷 29 引 言 产品的可靠性是产品的一个重要 指标，以往可靠性被忽视。产品的可靠 性直接影响到产品的使用价值、公司 的前途、使用者的安全。 在中国，很多工程师常常不重视 或者忽视电路板的可靠性，在设计过 程中，只注重原理和功能的设计，在设 计好原理图后，认为布线布通就可以 了，而不考虑电路板在一个产品中的 重要性，电路板出故障或问题的概率， 电路中信号的完整性，电路的EMI和 EMC特性。但是随着产品的可靠性发展 和越来越受到重视，在设计时不再是 简单的导线连接，必须考虑电路中信 号的完整性，电路的EMI和EMC特性。 印制电路板的可靠性是目前很多工程 师需要注意的问题，电路的可靠性直 接影响这个产品的性能。而PCB阻抗的 可靠性设计的一个关键环节。 一．电路板的叠层设计 一个好的叠层结构是对大多数信 号整体性问题、EMC问题、信号完整性、 电路可靠性的最好防范，同时也 最易被人们误解。这里有几种因素在 起作用，能解决一个问题的好可 能会导致其它问题的恶化。只要成本 能承受得起，很多系统设计供应商会 建议电路板中至少应该有一个连续平 面以控制特性阻抗和信号质量。EMC专 家建议在外层上放置地线填充(Ground Fill)或地线层来控制电磁辐射和对电 磁干扰的灵敏度，在一定条件下这是 一种好建议[1]。 然而由于瞬态电流的原 因，在某些普通设计中采用这种方法 可能会遇到麻烦。我们来看一对电源 层/地线层这种简单的情况:它可看作 为一个电容(图1－1)。 图1：电源层/地线层等效电容 可以认为电源层和地线层是电容 的两个极板。要想得到较大的电容值， 就需将两个极板靠得更近(距离D)，并 增大介电常数(ε g )。电容越大则 阻抗越低，这是我们所希望的，因为这 样可以抑制噪声。不管其它层怎样安 排，主电源层和地线层应相邻，并处于 叠层的中部。如果电源层和地线层间 距较大，就会造成很大的电流环并带 来很大的噪声。将电源层放在一侧而 将地线层放在另一侧，将会导致如下 问题： （1）最大的串扰:由于各层之间没 有地平面或者电源平面，导致交互电 容增大，各信号层之间的串扰比各层 本身的串扰还大。 （2）最大的环流:电流围绕各电源 层流动且与信号并行，大量电流进入 主电源层并通过地线层返回。EMC特性 会由于环流的增大而恶化。 （3）失去对阻抗的控制:信号离控 制层越远，由于周围有其它导体，因此 阻抗控制的精度就越低。 （4）容易造成焊锡短路，可能会增 加产品的成本。 PCB的各层分布一般是对称的。不 应将多于两个的信号层相邻放置；否 则，很大程度上将失去对SI的控制。最 好将内部信号层对地对称放置。除非 有些信号需要连线到SMT器件，应尽量 减少外层的信号布线。对层数较多的 电路板，可将这种放置方法重复很多 次。也可以增加额外的电源层和地线 层；只要保证在两个电源层之间没有 成对的信号层即可。 高速信号的布线应安排在同一对 信号层内;除非遇到因SMT器件的连接 而不得不违反这一原则。同一类信号 的所有走线都应有共同的返回路径(即 地线层)。有两种思路和方法来判断什 PCB设计的阻抗控制和阻抗匹配 The Resistance Control and Match in PCB Design 黄书伟, 赵丹玲1 （湖北工业大学1，武汉 430068） Huang Shuwei, Zhao Danling1 (Hubei University of Technology, Wuhan 430068,China) 摘 要: 阻抗设计是PCB可靠性设计的一个重要环节。本文从多层PCB板叠层的设计原理、特性阻抗的 计算方法、严格的阻抗控制，来保证阻抗匹配，实现PCB的可靠性，使产品稳定的工作。 关键字: 可靠性；特性阻抗；阻抗控制；阻抗匹配 中图分类号: TN306 文献标识码: A 文章编号: 1003-0107(2005)04-0029-03 Abstract: Impedance design is an important part for PCB reliability design. This article will introduce design theory, theoretical arithmetic of Characteristic Impedance and strict impedance controlling. These are used to ensure impedance matching and achieve PCB reliability to make the product be in a steady state. Key words: Reliability; Characteristic Impedance; Impedance Controlling; Impedance match CLC number: TN306 Document code:A Article ID:1003-0107(2005)04-0029-03 R e lia b ility A n a ly s is a n d R e s e a rc h 可靠性与研究 Quality Engineering 质 量 工 程 卷 ·2005第04期·ELECTRONICS QUALITY 30 么样的两个层能看成一对： (1) 保证在相等距离的位置返回信 号完全相等。这就是说,应将信号对称 地布线在内部地线层的两侧。这样做 的优点是容易控制阻抗和环流；缺点 是地线层上有很多过孔，而且有一些 无用的层，也给成本带来很大的增加。 （2）相邻布线的两个信号层。优点 是地线层中的过孔可控制到最少(用埋 孔);缺点是对某些关键信号这种方法 的有效性下降。 元件驱动和接收信号的 接地连接最好能够直接连接到与信号 布线层相邻的层面。作为一个简单的 布线原则，表层布线宽度按英寸计应 小于按毫微妙计的驱动器上升时间的 三分之一(例如:高速TTL的布线宽度 为1英寸)。 如果是多电源供电，在各个电源 金属线之间必须铺设地线层使它们隔 开。不能形成电容，以免导致电源之间 的AC耦合。 上述措施都是为了减少环流和串 扰，并增强阻抗控制能力。地线层还会 形成一个有效的EMC“屏蔽盒”。在考虑 对特性阻抗的影响的前提下，不用的 表层区域都可以做成地线层。 二．特性阻抗(Characteristic Impedance) 一种好的叠层结构就能够作到对 阻抗的有效控制和匹配，其走线可形 成易控制和可预测的传输线结构。 根据传输线理论和信号的传输理 论，信号不仅仅是时间变量的函数，同 时还是距离变量的函数，所以信号在 连线上的每一点都有可能变化。因此 定义连线的交流阻抗，即变化的电压 和变化的电流之比为传输线的特性阻 抗[2]; (1) Z(w):理想传输线的特性阻抗，单 位Ω； L: 理想传输线的电感，H/mm; C:理想传输线的电容，F/mm。 传输线的特性阻抗只与信号连线 本身的特性相关，在实际电路中，导线 本身电阻值小于系统的分布阻抗，特 别是在高频电路中，特性阻抗主要取 决于连线的单位分布电容和单位分布 电感带来的分布阻抗。理想传输线的 特性阻抗只取决于连线的单位分布电 容和单位分布电感。 信号的上升沿时间和信号传输到 接收端所需时间的比例关系决定了信 号连线是否被看作是传输线。具体的 比例关系由下面的可以说明。 l =Tr/D （2） l: 信号的上升沿等效物理长度， 单位mm; Tr: 信号的上升沿时间，单位ps; D: 信号实际传输延迟，单位ps/ mm。 如果PCB板上导线连线长度的大 于1/6，我们就可以将信号之间的连接 导线看做是传输线。由信号等效阻抗 计算公式，可知，传输线的阻抗可以用 下面的公式表示。 （3） Z(w): 实际传输线的特性阻抗，单 位Ω； R:传输线的导线电阻，单位Ω/ mm; L: 传输线的导线分布电感，H/mm; C: 传输线的导线分布电容，F/mm。 在高频(几十到几百MHz)情况下满 足 wL>>R(当然在信号频率GMHz以上的 范围内，则考虑到信号的集肤效应，需 要仔细的研究这种关系)。那么式(3) 可以简化为式(1)所示。 那么对于确定的传输线而言，其 特性阻抗为一个常数。信号的反射现 象就是因为信号的驱动端和传输线的 特性阻抗以及接收端的阻抗不一致所 造成的。对于CMOS电路而言，信号的 驱动端的输出阻抗比较小，为几十欧 姆。而接收端的输入阻抗就比较大。 三．阻抗控制和阻抗匹配 印制电路板上导线的特性阻抗是 电路板设计的一个重要指标，特别是 在高频电路的PCB设计中，必须考虑导 线的特性阻抗和器件或信号所要求的 特性阻抗是否一致，是否匹配。因此， 在PCB设计的可靠性设计中有两个概 念是我们必须注意的。 1．阻抗控制 阻抗控制( I m p e d a n c e Controling)，线路板中的导体中会有 各种信号的传递，为提高其传输速率 而必须提高其频率，线路本身若因蚀 刻，叠层厚度，导线宽度等不同因素， 将会造成阻抗值得变化，使其信号失 真。故在高速线路板上的导体，其阻抗 值应控制在某一范围之内，称为“阻抗 控制”。 影响PCB走线的阻抗的因素主要 有:铜线的宽度、铜线的厚度、介质的 介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、 地线的路径、走线周边的走线等。所以 我们在设计PCB一定要对板上走线的 阻抗进行控制，才能尽可能避免信号 的反射，以及其他电磁干扰和信号完 整性问题，保证PCB板的实际使用的稳 定性。 PCB板上微带线和带状线的阻抗的 计算方法可参照相应的经验公式，如 式(4)和式(5)所示[2] (1)微带线 此公式必须在0.1<(W/H)<2.0及1 <(Er)<15的情况才能应用。 （4） 走线到参考平面的距离:h PCB板材质的介电常数: PCB板上导线宽度:w PCB板上导线厚度: (2)带状线 H为两参考平面的距离，并且走线 位于两参考平面的中间。此公式必须 W/H<0.35及T/H<0.25的情况才能应 用。 （5） 走线到参考平面的距离: h PCB板材质的介电常数:εr R e lia b ility A n a ly s is a n d R e s e a rc h 可靠性分析与研究 ·2005第04期· ELECTRONICS QUALITY Quality Engineering 质 量 工 程 卷 31 PCB板上导线宽度: w PCB板上导线厚度:hl 上面的两个公式只是经验公式， 想得到比较准确的结果，最好还是用 仿真软件来计算。其他导线的阻抗可 以根据PCB设计特性阻抗来计算。 2．阻抗匹配 阻抗匹配（Impedance Matching）， 在线路板中，若有信号传递时，希望有 电源的发出端起，在能量损失最小的 情形下，能顺利的传送到接受端，而且 接受端将其完全吸收而不作任何反射。 要达到这种传输，线路中的阻抗必须 和发出端内部的阻抗相等才行称为 “阻抗匹配”。 在设计高速PCB电路时，阻抗匹配 是设计的要素之一。而阻抗值跟走线 方式有绝对的关系，例如是走在表面 层（Microstrip）或内层（Stripline/ Double Stripline），与参考的电源层 或地层的距离，走线宽度，PCB材质等 均会影响走线的特性阻抗值。也就是 说要在布线后才能确定阻抗值，同时 不同PCB生产厂家生产出来的特新阻 抗也有微小的差别。 一般仿真软件会因线路模型或所 使用的数学算法的限制而无法考虑到 一些阻抗不连续的布线情况，这时候 在 原 理 图 上 只 能 预 留 一 些 端 接 （Terminators），如串联电阻等，来缓 和走线阻抗不连续的效应。真正根本 解决问题的方法还是布线时尽量注意 避免阻抗不连续的发生。 图2：PCB走线等效电路 PCB 板上的走线可等效为图2所示 的串联和并联的电容、电阻和电感结 构。串联电阻的典型值0.25-0.55 ohms/foot，因为绝缘层的缘故，并联 电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容 和电感加到实际的PCB 连线中之后， 连线上的最终阻抗称为特征阻抗Z0。 线径越宽，距电源/地越近，或隔离层 的介电常数越高，特征阻抗就越小。如 果传输线和接收端的阻抗不匹配，那 么输出的电流信号和信号最终的稳定 状态将不同，这就引起信号在接收端 产生反射，这个反射信号将传回信号 发射端并再次反射回来。随着能量的 减弱反射信号的幅度将减小，直到信 号的电压和电流达到稳定。这种效应 被称为振荡，信号的振荡在信号的上 升沿和下降沿经常可以看到。 阻抗不匹配对电路设计带来以下 效应: （1）反射信号( R e f l e c t e d Signals）; （2）延时和时序错误(Delay & Timing Errors）; （3）多次跨越逻辑电平门限错误 （False Switching）; （4）过冲与下冲(Overshoot and Undershoot）; （5）串扰(Induced Noise); （6）地弹(Ground Noise); （7）电磁辐射(EMI Radiation). 四．结束语 阻抗匹配是PCB可靠性设计设计 的要素之一，直接关系产品的EMI和 EMC特性，对产品的可靠度也有很大的 影响。在告诉信号布线、布局时，要设 计好叠层和阻抗控制，做到阻抗的匹 配，增加产品的可靠性。◆ 参考文献: [1] Howard.Johnson and Martin Graham <>的第161 －162页. [2] John F.Chappel and Safwat G.. Zaky "EMI Effects and Timing Design for Increased Reliability in Digital Systems"IEEE Transaction on circuit and systems-1：Fundamental theory and applications，VOL.44,NO.2, February 1997. P82－P85. [3] 孙 航. 高速电路设计的信号完整 性分析[J].今日电子,2003(5). R e lia b ility A n a ly s is a n d R e s e a rc h 可靠性分析与研究 1．客观证据——支持事物存在或其真实性的 数据。 2．检验——通过观察和判断，适当时结合测 量、试验所进行的符合性评价。 3．试验——通过提供客观证据对规定要求已 得到满足的认定。 注1: “已验证”一词用于表示相应的状态。 注2: 认定可包括下述活动，如: ——变换方法进行计算; GB/T19000-ISO9000族标准 小知识 ——将新#设计

规范

编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载

#与已证实的类似设计规 范进行比较; ——进行试验和演示; ——文件发布前的评审。 4．确认——通过提供客观证据对特定的预 期用途或应用要求已得到满足的认定。 注1: “已确认”一词用于表示相应的状态。 注2: 确认所使用的条件可以是实际的或量 模拟的。