高速PCB设计总结参考

最贴近实际的——高速PCB设计总结参考PCB Designer: ZhuJQ ㈠ 、前言㈡、节点叙述第一、 PCB板层的布局第二、 主要器件布局第三、 电源线、地线、关键信号线走线第四、 高速DDR中地址线、数据线、差分线走线第五、 滤波电容放置位置关键第六、 数字地、模拟地分地第七、 电源管理设计要点第八、 系统ESD、EMC设计第九、 PCB设计过孔要求第十、 在数字系统中主要信号阻抗控制需求㈢、综合前言随着电子产品的更新换代突飞日异，从简单到复杂，从低端到高端，让我们时时刻刻谨记，活到老学到老的重要。

本人根据几年的PCB设计，初步统计了一下，在高速PCB设计中，常常容易犯错或忽略，但又尤其重要的问题，这些细节如果不注意将有可能导致整个系统运行不稳定或导致当机，所在预研或在开发前端尽量去注意这些问题，将可以减免带来很多不必要的问题与麻烦。

通常一个产品的开发，以设计前端解决一个问题，也许只需要1块钱，如果到了小批量试产验证阶段去解决同一个问题，也许你要花100块钱，如果到了批量生产有客户客诉问题时再去解决同一个问题，也许你花的就不是10块、100块的事情了，说明产品问题越到后端解决，成本越无法估计，带来的负面问题越无法估量。

节点叙述一、 PCB板层的布局：1、在板层布局考虑时，首先需要对整个系统的功能模块、信号线大概的有个了解，例如DDR等长总共有多少?是16位？还是32位，使用单DDR还是多DDR，然后初步定义出层数；2、在层的定义时，初步推荐分为以下几种方式，当然在实际操作过程中需要结合各种因素考虑后评估出层定义：四层板：①Layer 1 2 3 4S1 VCC1 G1 S2②Layer 1 2 3 4S1 G1 VCC1 S2③Layer 1 2 3 4S1 G1 G2 S2 (电源组数较少的条件)六层板：①Layer 1 2 3 4 5 6S1 G1 P1 P2 G2 S2②Layer 1 2 3 4 5 6S1 G1 P1 S2 G2 S3 (电源组较少且信号线多的条件)③Layer 1 2 3 4 5 6S1 G1 P1 G2 S2 G3初步只举例两种，可以看出主要遵循规则：①信号线相邻的层需要有一个完整的平面，比如是地平面或电源平面，举例下图所示；第1层走线含有DDR信号线：那么第2层将有一个完整的参考平面：②一般电源平面与地平面最好是相邻层，我们可以知道这样它本身也是一个电容效应起到一定的滤波作用；③另外，对于一般在EMC、EMI方面要求较高设计，通常会选择使用盲埋孔方式，尽量避免在表面有高速线；二、 主要器件布局：1、在器件摆放时，需要考虑每个功能组对应的信号线是否是最短的；2、在滤波电容的放置时，需要尽量靠近功能模块的管脚或集成电路的电源脚，如下图所示；3、在数字器件与模拟器件放置时，需要充分考虑相互受干扰问题，尽量放置有一定的距离，以免数字给模拟部分带来干扰，如下图所示，左上方集成电路区域为模拟部分，而下边区域为数字部分；4、在放置主芯片的参考电压采样电阻时，需要将采样电阻及电容尽量靠近芯片的脚放置，距离远容易出现参考电压不够稳定且易受外界干扰，造成系统不稳定,如下图所示；5、在DSP与DDR芯片放置时，需要在旋转芯片时，查看对应连接属线在后面走线时会不会出现大部分有交叉现象，一般尽量避免出现大部分DDR线有交叉现象，这样在Layout时存在很多难点，且在美观方面难以控制；三、 电源线、地线、关键信号线走线原则：电子系统中都缺不了一些电源线、地线及一些关键的信号线，那么它们都有哪些注意点，1、电源线，走线一般尽量短且要粗，在过大电流的电源线需要宽到0.5mm以上，甚至可以考虑使用建立铺铜方式来加强，如下图所示；2、在布置电源线时，尽量考虑它的相邻层有地表面，这样可以得到一个电容效应，起到一定的滤波作用；3、一般在设计过程中，需要充分考虑地表面的完整性，通常如果有一条信号线将地平面划分了，我们需要尽量考虑将此信号线移到其它信号层，以保证地平面的完整；4、在DSP或DDR等主要芯片的参考电压采样电阻及电容对应的布线时，需要选择尽量短且线加粗原则，如果这点未注意到，那将也会导致系统不稳定，甚至可以出现当机问题；5、在CLK信号布线时，在本身CLK信号线需要稍加宽的前提下，需要考虑相邻两层最好是完整的平面，同时CLK两边能加上地包络是最好的，以免出现CLK信号受到外界的干扰，导致信号失去完整性使用系统不稳定，如下图所示；四、 高速DDR中地址线、数据线、差分线走线原则：都知道通常大型系统中，大部分数据需要在DDR缓存交换完成，DDR的不稳定，后果我们都是知道的，那么在整个系统中最为关键的DSP与DDR之间的布局与布线，我们需要考虑哪几个方面呢？？1、所有数据线与地址线，都需要作等长，我们可以简单把为什么DDR与DSP之间的信号线要作等长比例为，如果说，有一个8位的数据通讯，且传输数率很高，A端口发出给到B端口接收，如果这之间的8条数据线在布线时长度不一致，那么发送10111010，在接收端可能出现的数据就不一样了，稍微推敲一下，你懂的，如下图所示，点亮的数据或地址线全面要求等长处理：2、所有数据线与地址线，相邻的两层最好有完整的参考平面，千万不能夸平面设计，那样是无法完成阻抗控制的；3、在主要的DDR信号线布线时，尽量不要考虑相邻两层都是DDR信号线，之间没有任何隔离，这种方式会出现cross talk（串扰），在传输数率高的情况下，严重时可以导致系统不稳定或当机；4、要知道差分线，本身是通过一正一负，同时通讯，加强信号质量，同时对EMI抑制方面得以有效控制，但在常规设计过程中，往往很多设计都会忽略的差分线设计的重要性，以致无法充分的发挥差分线的优势，甚至还带来了负影响，那么在差分线设计时，需要注意哪些方面呢：A、尽量不要跨越太多的叠层，那样参考平面变化太多，阻抗不能控制到最佳；通常在设计过程中，包括除差分线以外的其它DDR信号线，完整的一条线设计上过孔最好为没有通过过孔连接，其次就是2个过孔(这是最好常用的)，再者就是3个过孔，最好不要超过3个过孔；B、需要完全保持平行，无论在变换层后，还是需要操持平行，如果不能完全保持平行，在作差分相对阻抗控制时，就较为难控制或实现了；C、差分线之间的线距，通常以3W即可，什么意思呢，例如，在差分线中，正与负的信号线宽度为0.1mm，那么它们之间的线距最好控制在0.3mm宽，以达到实现最佳的阻抗控制与信号完整，如下图所示：D、通常一个系统中会有多组差分线，尽量在设计时，保持几组差分线达到等长要求；五、 滤波电容放置位置关键 ：电容，小电容，往往在通常设计中，很常见的器件，但不要忽略了它的存在及它的重要性，说个例子阐述一下它的重要性，在几年前有设计过一款式产品，按键有7个，是使用ADC方式来实现的，关键点是按键板与主板之间是使用FPC连接，且距离较远，当时 在测试时，有发现ADC值一直不稳定，时有出现按键误动作现象，查找许久后，做了一个小小的实验，在DSP对应的ADC脚上加了一个1000pF的小电容，果然，ADC值在串口上查看，达到相当稳定的效果，所以在实际设计过程中，千万要使小电容发挥到它的最大作用，减少给你带来的设计困扰，那么在注意点是哪些叫经：1、通常在主干线上，如果有串了一个电感后给到后端设备供电，那到在电感后端一定要接一个电容，在组成LC滤波的同时，增强了抗干扰，如下图：2、在集成电路电源输入脚端，尽可能近的位置放置一个电容，以达到最佳的滤波效果如图所示：3、在采样电压回路中，增加一个电容，可以使所采样得到的数据更为稳定与线性，同时也增强了抗干扰；4、在复杂的产品设计中，避免不了会有多板组合现象，在接口处放置电容，将会达到最好的滤波效果；六、 数字地、模拟地分地原则：稍微大型一点的数字系统中，当然也会存在着供电电源系统与模拟系统，它们之间犹如‘兄弟’，但往往处理得不好，也会有出现明‘算账’问题，即相互干扰，这一点在器件布局时：1、充分考虑模拟器件与数字器件布局了，通常方法是物以类聚，将模拟部分的器件放在一起，数字器件放在一起，然后对应的相邻划分为对应的模拟地与数字地，这样分开了它们之间的相互干扰问题，如下图所示，分割了数字地与模拟地方式：2、在电源地、模拟地、数字地之间，接地方式通常分为单点接地、多点接地两种方式，这两种方式在结合实际设计过程中，择一操作即可；3、接口接地的处理方法，通常会将接口的外壳独立铺铜然后通过单点或多点方式与主地相连；4、有些产品在设计地分割时，会使用一电容将两地相连，也可以达到一定的地与地之间平衡效果，这一点没有仔细的分析过，通过我在设计过程中，不会增加此电容；七、 电源管理设计要点：数字系统中DSP我们可以认为它是核心，但还有一个核心就是电源系统，个人认为它是同等重要也不可忽视的设计重点；1、通常一个数字系统中会有多个电压组，那也就出现了两种供电系统方式：一种由多个分立的单路供电系统组成；一种由一个集成多个电压同时提供的芯片完成供电，这种集成化的电源管理系统，我们称之为PMU（即电源管理单元）；2、无论哪一种电源供电系统，我们先看看器件的选择吧，A、首先要考虑你需要这个电源系统能带多大的负载，这个需要结合实际来才能完成，通常设计余量在2/3的电源带负载能力范围即可，比如，你选择了一个带负载能力为1A的芯片，那么给它的负载设计使用电流最好在约700mA以下即可，这样可以确保供电的稳定性；B、电感的选择，它的电感量、饱和电流、等效DCR几个参数选择均为重要需要结合实际使用负载大小来选择；C、电容在电感对应的输出端一般需要增加一个大的电容同时再加一个小的电容来完成滤波，如下图所示：D、反馈采样电阻，通常由一个上拉电阻与一个下拉电阻来完成，这两个电阻必须使用精密电阻，以减小偏差，使输出电压值准确稳定；3、功率电感需要放置在电源管理芯片输出的动态端越近越好，减小动态端带来的对外干扰：4、在电源芯片的电源端需要放置几个稍大的电容来加强它的稳定性；5、在功率电感输出端最近的位置放置滤波电容，以达到最好的效果；6、反馈采样电阻在采输出端电压回到电源管理芯片的反馈输入端，距离尽量近，以保证所采样回来的电压是很稳定的；7、整个电源供电系统模块的位置布局，需要结合整个PCB、电源供电回路来布局，使效率与效果达到最佳；八、 系统ESD、EMC设计：随着产品的竞争愈演愈烈，客户终端对ESD、EMC、EMI方面要求提高，良好的ESD、EMC、EMI设计考虑，可以使产品提高一定的档次，同时也避免了在过ESD、EMC等认证时，整改让你无语或让你整得焦头烂额，那在设计过程中请注意以下几个要点；1、在ESD方面：A、需要考虑所有的板的连接一定要非常充分，甚至可以考虑在板与板之间直接使用金属片来连接地、主要的大电流电源线；B、在接口处所有的信号线增加ESD器件 ，增强ESD防护能力，如图：C、接口处外壳地分割，同时增加ESD器件，确保在打ESD时，能迅速将静电放掉：D、关键的几组电源线上增加ESD器件；E、电源管理系统关键点增加ESD器件；F、在主系统的一些复位信号或主要的控制信号上增加ESD防护器件；2、在EMC EMI方面：A、HDMI接口，对于4组差分线都需要增加共模抑制电感，如图：B、关键的CLK信号最好预留串一个电阻的同时再对地并联一个电容；C、如果有使用FPC连接排线的，需要将排线增加电磁膜，增强EMC、EMI；D、到接口的所有信号线，尽量考虑都增加一个小的对地滤波电容；E、在板层定义后，电源层边框向内缩3mm，然后围地，这样也起到一定的效果，如下图所示；九、 PCB设计过孔要求：1、在实际设计过程中，有很多设计者通常会忽略了一个问题，那就是过孔的问题，往往在设计时，一条很宽的走线，但在换层时，仅由一个很小的过孔来连接，显示是存在问题的；2、在主电源供电系统中，干线上的过孔尽量放置多个连接在一块铜皮上，以增强供电能力，如图：3、滤波电容的地端，尽量在靠近接地的焊盘脚边增加几个过孔，使之与中间层的地以最近的连接，达到最好的滤波效果：4、在放置过孔时，尽量不要放置在焊盘上，这样在SMT过炉时，容易出现漏锡现象，导致虚焊带来隐患，一般如果在放在焊盘中间的，我们会称之为盘中孔，这种盘中孔，在PCB生产中，需要使用一种工艺—填树脂后再电镀填平，PCB成本会增加；十、 在数字系统中主要信号阻抗控制需求：通常在数字系统中，需要控制阻抗的信号线有，DDR 、HDMI、USB、SENSOR等；阻抗需求：1、在DDR部分，单端阻抗需要控制在50ohm，差分相对阻抗需要控制在100ohm；2、HDMI部分，单端阻抗需要控制在50ohm，差分相对阻抗需要控制在100ohm；3、USB部分，需要将阻抗控制在90ohm即可：4、Sensor部分，不同的感光系统，有不同的需求，例如有的sensor在使用Hispi数据方式传输时，需要控制阻抗在100ohm；综合：以上全为自己几年在电子产品设计过程中，碰到的一些常规设计注意事项分享，希望能给予你一定的帮助，同时由于本人的设计水平还有待继续提高，在总结过程中，避免不了有未总结到的，或总结不到位的，水平有限，请加以指正！洽谈QQ：603659573。