PCB阻抗控制的设计建议

2021-10-13

PCB阻抗控制的设计建议

放置和布线的电路板

正如他们所说，凡事都要付出代价。我们都喜欢智能手机放在我们手掌中的大量计算能力，但这种功能的代价是设计复杂性的巨大增加。随着工程师在设计中解决信号完整性问题，高频、更快的设备开关速度以及更高的噪声和干扰量使 PCB布局变得更加复杂。

我们不能再将电路板走线布线视为简单的点对点连接。布局设计人员必须了解其设计中的关键网络要求并相应地布局电路。这些走线必须被视为传输线，并进行配置和布线以实现最佳阻抗控制，以确保它们提供最清晰的信号质量和完整的数据完整性。为此，这里有更多关于电路板布局中 PCB阻抗控制的详细信息。

对 PCB阻抗控制的需求

电容和电感的组合产生对电流的阻碍，称为阻抗。PCB设计中的所有电线和迹线都会产生一些阻抗，以欧姆为单位。由于分布在电路板上的不同环境，阻抗值可能会发生变化或被视为“不受控制”。虽然不受控制的阻抗对于 PCB 上的许多电路来说可能不是问题，但它会极大地影响高频信号。

在更高的频率下，信号的行为更像是高速传输线，而不是常规的点对点连接。这些信号的成功取决于它们在源和负载之间的清晰传输和接收。然而，随着整个布线线路中阻抗值的变化，信号可能会被反射并沿与原始信号相反的方向传播。这种反射会叠加在初始信号上，造成失真，从而导致发射器和接收器之间的信号轮廓发生变化。这种失真会降低信号的完整性，可能会导致其无法实现其预期功能。

为了防止此类信号完整性问题，高频传输线电路必须通过走线，阻抗值在整个线路中得到均匀控制。这是通过控制导电迹线的几何形状和迹线穿过的环境来实现的。通过指定走线宽度和铜重来控制走线，而通过仔细选择包含走线的介电材料来控制环境，以获得适当的 Dk（介电常数）值。使用专用布线层配置板层叠层也很重要，用于控制阻抗线靠近或夹在两个接地层之间。这通常称为微带或带状线配置。最后，控制阻抗 环境将调节走线和平面之间的介电间距以及与其他走线的间距。

接下来，我们将更深入地研究 PCB阻抗控制布线的板层堆叠。

电路板上的差分对布线

为阻抗控制布线设置 PCB 层堆叠

正如我们所见，控制敏感走线的阻抗取决于以下因素：

走线几何形状：必须仔细选择走线中铜的横截面体积，因为在阻抗计算中必须考虑走线宽度和厚度（铜重量）。

介电材料：用于支撑走线并使其与接地层绝缘的非导电 PCB 材料的介电常数(Dk) 值也是阻抗计算的一部分。

间距：计算的最后一部分是信号走线与相邻地平面之间的垂直间距以及与其他信号走线的间距。

为了成功控制传输线布线的阻抗，介电板材料必须与走线几何形状相匹配。这可能需要用于 PCB 制造的特定材料类型以及对迹线几何形状和间距值的调整。介电材料的 Dk 值会随频率而变化，因此每块电路板的阻抗计算会根据电路的频率而有所不同。设计人员可以使用在线计算器来确定板层堆叠，而且大多数 PCB设计系统都包含自己的阻抗计算器。此外，电路板制造商通常可以帮助进行这些计算。

PCB 制造商了解电路板材料和电路需求之间的关系，因为他们拥有构建多种高速设计的经验。只要他们从您那里获得以下数据，他们就可以帮助您进行板层堆叠配置：

板上单端和差分对控制阻抗布线的目标阻抗。

用于受控阻抗布线的所需板层。

目标板材料。

有了这些信息，电路板制造商通常可以推荐对您的设计最有效的板层堆叠配置。许多制造商还可以直接与您的 CAD 系统交换此 PCB 层数据，以减少出错的可能性并增加您的设计时间。

让我们看看如何设置您的 PCB设计系统，以实现最有效的 PCB阻抗控制传输线布线。

Cadence Allegro 的约束管理器用于为差异对设置设计规则

在布局工具中充分使用设计功能

PCB 叠层中各层的材料选择、层宽和配置对于控制阻抗都很重要。但是，除了叠层之外，还应设置设计的其他参数以帮助控制阻抗布线。其中一些参数是直接相关的，例如走线宽度和间距，而其他参数将简化您的布局工作。

示意图

在开始布局之前，花点时间确保原理图已经准备好。显然，原理图将继续更改以进行设计增强和更改，但它应该准备好与 PCB布局数据库同步。这包括确保其组件得到批准和更新，受控阻抗信号被归类为差分对或单端网络，以及将一些基本规则和类别输入数据库。

设计参数

许多设计师将参数保留为默认设置，但根据您的个人喜好修改这些参数可以使您在布局期间的工作更轻松。选定的网络颜色、填充图案和高光只是可以提高工具效率的一小部分更改。其他包括测量单位、网格、文本显示，甚至工具栏和命令的配置方式。

设计约束

您的 PCB CAD 工具应该有一个全面的设计规则和约束系统，允许您为受控阻抗走线设置规则。例如，在 Cadence Allegro 的 PCB 编辑器中，您可以为 PCB设计中的各种信号要求设置网络类和规则。其中之一，如上图所示，是设计中的差分对。Allegro 允许您设置所有相关的布线规则，包括走线宽度和间距，以满足他们的电气要求。

路由命令

PCB布局系统中有许多可用的走线布线功能。您可以将迹线布线到指定长度、添加曲线、滑动它们或以特定模式或拓扑进行布线。对于受控阻抗布线，您需要能够以特定宽度、间距和指定层布线。布局工具中的布线功能可以与已经设置的设计规则和约束一起轻松适应这一点。您的布局工具还将具有布线功能，可以将差分对自动布线成对，如下图所示。这些功能将节省您尝试手动将它们布线在一起的时间和难度，同时保持彼此所需的间距。

这仅涉及当今 PCB布局工具中众多设计功能中的一小部分。随着 CAD 系统的不断改进，我们将不断看到增强和升级，以简化设计人员处理 PCB阻抗控制的工作流程。例如，这里有一些可以提供帮助的高级功能。 

通过自动跟踪路由功能实现的差分对路由示例

PCB设计工具中有用的高级功能 

为了帮助设计人员在布局 PCB设计时解决信号完整性问题，Cadence 在他们的工程软件库中提供了另一个有用的工具。本文顶部视频中显示的阻抗分析工作流程允许设计人员分析其关键网络以发现潜在的 SI 问题。一旦更正，第二轮分析将显示这些变化如何改善了电路板的信号完整性。

我们之前还提到了与您的 PCB 制造商沟通以交换关键板层堆叠信息的重要性。Cadence 在这方面也提供了帮助，其功能是以 IPC-2581 格式导入和导出板层堆叠信息。这使您可以与配备类似设备的制造商合作，并将他们的数据直接提取到您的设计中。无需依赖口头或书面交流，您可以为电路板层堆叠、导电和介电材料定义、涂层和其他重要的 PCB 物理特性提取设计就绪数据。