315月 2018

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我就是硬性要求PCB布线时禁止90度拐角了咋地吧

最近,老wu又看到有同学们在论坛里墙裂地探讨一个老话题,PCB上的走线到底能不能走90°拐角,看到很多IC原厂的PCB设计指南手册上都有单独的章节专门指出,对于关键的高速信号线,走线不能以90°拐角,必须以两个135°角来实现,在PCB Layout软件里就是选择45°走线模式。

看来这注定是一个热门的讨论话题,每年都有新的同学入到PCB Layout的坑里来,然后部门老大就说先把IC原厂的PCB设计指南手册撸一遍先,接着就看到“对于关键的高速信号线,走线不能以90°拐角,必须以两个135°钝角来实现,在PCB Layout软件里就是选择45°走线模式。“这么一个建议。

至于为什么要有这样的规定,高速信号是不是坚决不能走90°拐角,都说会造成信号完整性问题,那影响到底有多大?普通信号线能不能直角走线?这些手册上没有给出,反正是PCB布局布线指导手册,你按照原厂的来就好了,如果不按照原厂的建议来,出了问题你自己兜着,反正你也不知道为啥不能这样做,也辩论不过原厂的大牛。

关于PCB走线角度的选择,老wu博客里之前写过这方面的文章:

http://www.mr-wu.cn/pcb-zou-xian-jiao-du-xuan-zhe-pcb-layout-tiao-keng-zhi-nan/

PCB上的走线以90°拐直角对高速信号到底带来多大的影响?什么时候需要注意这个影响?从而避免造成信号完整性问题,Eric Bogatin,《信号完整性与电源完整性分析》一书的作者,在edn.com的博客文章里给出了答案。

90°拐角会对信号质量带来负面影响吗?答案是肯定的,肯定有影响,不过这个影响到底有多严重,那是要看条件的。如我们小学里学过的一篇课文,讲的滴水穿石的故事,从屋檐上滴下的一小水滴,会对地面上的石板带来冲击吗?物理上来说,是会的,只是其物理变化你的肉眼看不出来而已,经过长年的积累,渐渐的,水滴也能把石头给滴穿咯。亦或者,当水滴以接近光速撞击地面,别说把石板击穿了,甚至能把地球击穿了都。

90°拐角走线之所以会产生信号完整性问题。原因在于,由于传输线直角拐角部分的铜箔宽度比直线走线的铜箔宽度要宽一些,会造成直角折弯处的特性阻抗突变,这对于普通信号走线并不会造成问题,但对于高速传输线来说,则会带来信号的反射,反射严重的话会造成信号完整性问题。

我们知道,在设计高速电路板时,要注意特性阻抗的变化,特性阻抗变化会带来信号的反射,使得信号质量变差。通过45°的拐角模式走线而不是以90°模式进行拐角,在拐角处铜箔宽度突变会更少一些,可以减少由于布线宽度的变化而引起的信号反射和这个额外的离散电容造成的信号上升时延的改变。

这拐角处的寄生电容值到底是多少,如果你有TDR (time-domain reflectometer
) 时域反射计的话,可以很容易测量得出。

我们可以利用TDR提取电容不连续模型,90 度走线拐角,如上边所述,走线铜箔宽度在拐角处变宽了,造成了阻抗不连续,这些结构在本质上就是不均匀的,除了用 3D 场解算器之外,通常难以计算。有时候,评估其阻抗最快的方法是建立一个结构并进行测量。根据测得的响应,如果 TDR 的上升时间与应用程序的上升时间匹配,我们就可以凭经验来评估对信号的影响。然后,我们可以直接从 TDR 的屏幕上测量在系统中可能看到的反射电压噪声量。或者,我们可以使用 TDR 提取该结构的简单的一阶模型,并在系统级仿真中使用这个模型来评估不连续性的影响。最后,如果需要的精度和模型带宽比直接从屏幕上获取的更高,我们可以将 TDR 测得的数据导入建模和仿真工具,如 SPICE 或 ADS 软件内,以适应更精确的模型。

在edn.com的博文中,Eric Bogatin 制作了个简单的测试模型,其在一个两层板中建立了一条有4个90°拐角的50欧阻抗线。 该板厚32mil,线宽为60mil。通过测试波形图,我们可以明显看到,在这四个拐角处,反射信号出现了4个明显的大波谷。很明显,拐角处确实是造成了信号的反射。通过TDR的测量结果,我们可以得出拐角处的电容为:96fF.

而如果你没有TDR的话,Eric Bogatin在文章中给出了个经验公式:

拐角处的额外电容 = 2fF/mil × w[mils].

如上边的那个测试板来说,我们将线宽60mil代入公式:

额外的离散电容= 2fF/mil × 60[mils] = 120fF

其结果与通过TRD测量得出的96fF还是比较接近的。

OK,通过Eric Bogatin的公式,现在我们可以估算拐角处的多余离散电容,我们便可以回答这个问题:我们什么时候需要担心这个拐角处多余的离散电容带来的影响? Eric Bogatin 又给出了另一个经验法则:

如果电容(以毫微微法拉为单位 fF)大于信号上升时间(以皮秒为单位)的10倍,亦或者,当以mil为单位的走线线宽大于5倍的以皮秒(picoseconds)为单位的信号上升时间,则要考虑拐角对信号的影响。经验公式:

2fF/mil × w[mils] > 10 × RT, or, w[mils] > 5 × RT

对于高速数字传输线,如果你的上升时间是10ps,除非你的50欧线宽超过50mil,否则不要担心90°拐角带来的信号完整性问题。

但对于射频PCB Layout来说,电压驻波比(VSWR)是用于衡量传输线缺陷的一项指标,RF传输线的阻抗失配会引起功率损耗和反射.

在RF传输系统中,驻波比(SWR)用来衡量RF信号从功率发射源通过传输线,最终送入负载的传输效率。例如,功率放大器通过一段传输线连接到天线。

SWR反映了入射波与反射波的比率,SWR越高表明传输线效率越低、反射能量越大,可能导致发射机损坏,降低发射效率。由于SWR通常用电压比表示,也称为电压驻波比(VSWR)。

在许多模拟射频电路中,窄频率范围内具有平坦的响应很重要,有时则需要低于 -40 分贝的回波损耗,因此,一个直角拐角都可以引起大问题。过去,许多射频和微波电路是建立在厚陶瓷基板上的,线宽为 100 mil或更宽。这几乎是直角拐角所造成的影响的两倍,这也正是RF要避免直角走线的原因。

所以,老wu决定,但凡是以后的Layout,一律禁止出现直角,无论是普通的信号线还是高速数字信号传输线还是RF传输线,包括覆铜的铜皮,一律修成钝角。

先不从信号的角度出发,就单论审美学来说,圆滑的物体总是要比尖锐的物体看起来更加让人舒服,比如下图的对比,看到这尖尖的匕首,总是让人心感不安,而换成唐朝圆润的妹纸,则让人心旷神怡。

当然,对于处于特殊目的的锐角,还是允许的,比如这个处于ESD防护目的的气隙放电焊盘。

那既然走圆弧带来线宽的突变,不会造成信号的反射,那我整板都用圆弧来走线岂不好了?

其实也不然,就如下图这样,你觉得好看吗?

老wu个人还是觉得,除非是关键的RF射频走线或者超高速串行数字信号传输线,局部走圆弧就好了,对于普通信号线或类似DDR 这样的高速信号线,以45°模式来走线就好了,走线与容易以格点对齐,整体走线更加美观漂亮而信号又没啥太大的影响。

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金额随意 快来“打”我呀 老wu要买六味地黄丸补补~~

原创文章,转载请注明: 转载自 吴川斌的博客 http://www.mr-wu.cn/

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