24小时联系电话:18217114652、13661815404
中文
技术专题
嵌入式系统中高频PCB的设计技巧
嵌入式系统中高频PCB的设计技巧
当今的高速嵌入式系统结合了各种功能,组件,数字接口,当然还包括无线/ RF信令。如果您要设计具有任何计算能力的嵌入式系统,并且还包括模拟前端,那么您将面临多个混合信号设计难题。无论是简单的低于1 GHz的无线电连接,Wifi / BLE还是数千兆以太网,嵌入式系统都需要某种方式来与外界交互,而这种方式不依赖于纯数字信令。这适用于背板,单板计算机,IoT产品等系统。
利用当今嵌入式系统中使用的高频信号,电路板设计人员有责任在设计过程的早期就解决这些问题。成功的高频PCB设计可归结为三个方面的成功:
叠层设计和接地
元件放置
布线和阻抗控制
这听起来很明显,这是我们在此博客的许多文章中介绍的基本设计技巧。但是,这里要强调这些要点,因为具有某些数字功能的高频PCB,尤其是现代嵌入式系统,在这三个方面都必须依靠成功来确保系统按设计运行。为了帮助您开始下一个PCB的布局和布局,让我们从嵌入式系统的高频设计方面来看每个领域。
高频PCB的设计挑战
正如我将简要讨论的那样,高频PCB和数字系统所涉及的设计挑战都集中在信号完整性上,并在某种程度上讲是电源完整性。我们在这里考虑的PCB类型是用于嵌入式系统的板,其中还将包括一些RF功能。射频部分可以通过诸如WiFi或BLE的标准无线协议实现,而数字部分几乎可以与MCU,MPU或FPGA接口。
隔离高频信号
这些系统中最重要的设计考虑因素可能是隔离数字和模拟信号。如果系统具有模拟部分,天线馈线等,则需要将模拟部分与数字部分隔离开来,因为串扰会干扰模拟信号。这是最好使用波导路由的原因之一,因为它可以提供自然隔离,正如我将在下面更详细地解释的那样。
如果您可以成功完成此部分,那么您将更接近在模拟部分生产具有更高EMI抗扰度的模拟部分。正如我将在下面讨论的,最好在堆叠阶段(设计的开始)而不是在布线阶段(设计的末尾)开始考虑这一点。首先,嵌入式系统在布局设计时应考虑一些特性。
是什么使嵌入式技术与众不同?
嵌入式系统与许多其他带有高频PCB的数字系统之间的区别是使用高速数字接口。尽管高速计算接口使用差分对进行数据传输,但仍有可能在数字部分和模拟部分之间引起共模噪声(串扰)。此外,上升时间较快的信号会将其信号功率集中到更高的频率,因此在单端RF互连上更有可能显示为噪声。
由于您基本上是在处理高速运行的小型计算机,因此您还需要考虑电源完整性,尤其是地面弹跳/轨道弹跳。两种效果基本相同,只是以不同的方式表现出来。
下表简要总结了设计带有模拟部分的嵌入式系统时所面临的挑战。通常,我们可以将每个领域中的设计挑战与堆叠设计,布线/阻抗控制和隔离的三个基本原理联系起来。
问题领域 |
解决方案领域 |
设计重点 |
数字和模拟部分之间的隔离 |
仅通过直接路径按功能块对组件进行分组 |
-元件放置
-接地平面设计 |
阻抗控制 |
使用正确的堆叠计算器 |
-叠层设计 -路由 |
电源完整性 |
在PCB叠层中正确排列层 |
-叠层设计 -组件放置(盖/旁路盖) |
电磁干扰/电磁干扰 |
多种解决方案,取决于涉及的频率 |
-堆叠设计 |
显然,在尝试设计具有模拟/ RF部分的高速嵌入式系统时,有很多地方需要检查。另一个有问题的领域是每个领域的解决方案都取决于频率。由于这是一篇高水平的文章,因此没有足够的时间来介绍各个领域的设计准则,但是我将在适当的地方链接到其他文章。
它始于地平面和叠层设计
正确的PCB叠层可以解决大多数电源完整性和信号完整性问题。堆叠还会影响可溶解性,可布线性,阻抗控制,EMI / EMC,热控制和隔离。如果您要设计具有高速数字接口和模拟部分的嵌入式系统,那么可以使用堆栈来开始考虑您的设计。
我在下面显示了一个8层堆栈,它将在内部为低速信号和所需的附加平面提供空间,但是我仅在板的顶部和底部标记了重要的信号和平面层。如果您不需要此额外空间,则可以使用信号/平面/平面/信号布置在4层停下来。这里的重点是,我允许2个参考层彼此相邻,而与其他层无关。堆叠类型的目标是使参考平面彼此靠近,以防止可能导致信号完整性问题的电源完整性问题类型 。
如果需要,这种类型的叠层将为您提供两个组件层,电路板每侧之间的大量接地以及可用于电源/地平面对以提供足够的平面间电容的相邻平面层。第2层和第(N-1)层上的参考平面是确保整个板上的阻抗控制,隔离和一致参考的关键层。这种类型的高层数堆栈(至少6个)对于占位面积较小的更高级的系统很常见。
如果您使用的是纯模拟或混合信号设备,则在堆叠和接地平面图中要考虑许多重要事项。但是,您还必须将高速/高频组件放置在板上,因此在开始布线之前自然要先检查一下组件的放置。
元件放置在顶部参考平面上方
首先,您应该将接地层分为数字部分和模拟部分,但要使这两个部分保持物理连接,以提供始终如一的低电抗接地路径。如果您正在使用多个频率的频率RF信号,请考虑将第三个模拟地切开以用于这些信号和组件。如果您按照上面的说明堆叠地面和电源,那么您已经对电源部分进行了相同的操作,并且理想情况下,可以防止PDN中高传输阻抗引起的多端口激励。
使您的数字部分和RF部分在接地层上方分开,并遵循返回路径,以确保信号在PCB布局中被隔离。
隔离布线高频PCB
要考虑的下一点是如何在组件之间路由走线。但是,您可能还需要一些策略来隔离不同板部分之间以及各个互连之间,以防止干扰。一些策略包括:
表面层上的共面波导布线,特别是组件之间的走线,到馈线的走线或到同轴连接器的走线。
如果您有足够高的层数,请考虑为带状线布线留出一层。请注意这一点,因为过孔会在超高频(mmWave)上产生问题。
由于会产生两个异相辐射源,因此将接地通孔栅栏放置在RF电源平面周围可提供良好的抑制效果。
考虑使用带隙结构来提供隔离,因为它们可以直接印刷到高频PCB上。
与如何进行布线以防止干扰相比,如何设计互连以确保一致的阻抗匹配并不重要。这里最重要的一点可能是跟踪返回路径,并使RF互连远离数字部分。只要您的RF互连附近没有大的返回电流,就可以减少对串扰的担心。尽管如此,在进行原型设计之前,仍有很多要评估的要点,现场求解器可以帮助发现这些问题。
在使用现场求解器进行原型设计之前评估您的电路板
只要您能消除原型运行并发现超高频率的信号/电源完整性问题,就可以节省时间和金钱。正确的现场求解器可以帮助您完成PCB布局并计算确保RF产品将按设计工作所需的重要信号完整性指标。在高频PCB中,要检查的一些重要点是网络参数,辐射EMI以及不同板部分之间的干扰。如果您将天线直接放在板上,则还需要检查辐射方向图和辐射功率。