嵌入式系統(tǒng)中高頻PCB設計的技巧
嵌入式系統(tǒng)中高頻PCB設計的技巧
當今的高速嵌入式系統(tǒng)結(jié)合了各種功能，組件，數(shù)字接口，當然還包括無線/ RF信令。如果您要設計具有任何計算能力的嵌入式系統(tǒng)，并且還包括模擬前端，那么您將面臨多個混合信號設計難題。無論是簡單的低于1 GHz的無線電連接，Wifi / BLE還是數(shù)千兆以太網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)都需要某種方式來與外界交互，而這種方式不依賴于純數(shù)字信令。這適用于背板，單板計算機，IoT產(chǎn)品等系統(tǒng)。
利用當今嵌入式系統(tǒng)中使用的高頻信號，電路板設計人員有責任在設計過程的早期就解決這些問題。成功的高頻PCB設計可歸結(jié)為三個方面的成功：
疊層設計和接地
元件放置
布線和阻抗控制
這聽起來很明顯，這是我們在此博客的許多文章中介紹的基本設計技巧。但是，這里要強調(diào)這些要點，因為具有某些數(shù)字功能的高頻PCB，尤其是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)，在這三個方面都必須依靠成功來確保系統(tǒng)按設計運行。為了幫助您開始下一個PCB的布局和布局，讓我們從嵌入式系統(tǒng)的高頻設計方面來看每個領域。
高頻PCB設計挑戰(zhàn)
正如我將簡要討論的那樣，高頻PCB和數(shù)字系統(tǒng)所涉及的設計挑戰(zhàn)都集中在信號完整性上，并在某種程度上講是電源完整性。我們在這里考慮的PCB類型是用于嵌入式系統(tǒng)的板，其中還將包括一些RF功能。射頻部分可以通過諸如WiFi或BLE的標準無線協(xié)議實現(xiàn)，而數(shù)字部分幾乎可以與MCU，MPU或FPGA接口。
隔離高頻信號
這些系統(tǒng)中最重要的設計考慮因素可能是隔離數(shù)字和模擬信號。如果系統(tǒng)具有模擬部分，天線饋線等，則需要將模擬部分與數(shù)字部分隔離開來，因為串擾會干擾模擬信號。這是最好使用波導路由的原因之一，因為它可以提供自然隔離，正如我將在下面更詳細地解釋的那樣。
如果您可以成功完成此部分，那么您將更接近在模擬部分生產(chǎn)具有更高EMI抗擾度的模擬部分。正如我將在下面討論的，最好在堆疊階段（設計的開始）而不是在布線階段（設計的末尾）開始考慮這一點。首先，嵌入式系統(tǒng)在布局設計時應考慮一些特性。
是什么使嵌入式技術與眾不同？
嵌入式系統(tǒng)與許多其他帶有高頻PCB的數(shù)字系統(tǒng)之間的區(qū)別是使用高速數(shù)字接口。盡管高速計算接口使用差分對進行數(shù)據(jù)傳輸，但仍有可能在數(shù)字部分和模擬部分之間引起共模噪聲（串擾）。此外，上升時間較快的信號會將其信號功率集中到更高的頻率，因此在單端RF互連上更有可能顯示為噪聲。
由于您基本上是在處理高速運行的小型計算機，因此您還需要考慮電源完整性，尤其是地面彈跳/軌道彈跳。兩種效果基本相同，只是以不同的方式表現(xiàn)出來。
下表簡要總結(jié)了設計帶有模擬部分的嵌入式系統(tǒng)時所面臨的挑戰(zhàn)。通常，我們可以將每個領域中的設計挑戰(zhàn)與堆疊設計，布線/阻抗控制和隔離的三個基本原理聯(lián)系起來。
顯然，在嘗試設計具有模擬/ RF部分的高速嵌入式系統(tǒng)時，有很多地方需要檢查。另一個有問題的領域是每個領域的解決方案都取決于頻率。由于這是一篇高水平的文章，因此沒有足夠的時間來介紹各個領域的設計準則，但是我將在適當?shù)牡胤芥溄拥狡渌恼隆?/span>
它始于地平面和疊層設計
正確的PCB疊層可以解決大多數(shù)電源完整性和信號完整性問題。堆疊還會影響可溶解性，可布線性，阻抗控制，EMI / EMC，熱控制和隔離。如果您要設計具有高速數(shù)字接口和模擬部分的嵌入式系統(tǒng)，那么可以使用堆棧來開始考慮您的設計。
我在下面顯示了一個8層堆棧，它將在內(nèi)部為低速信號和所需的附加平面提供空間，但是我僅在板的頂部和底部標記了重要的信號和平面層。如果您不需要此額外空間，則可以使用信號/平面/平面/信號布置在4層停下來。這里的重點是，我允許2個參考層彼此相鄰，而與其他層無關。堆疊類型的目標是使參考平面彼此靠近，以防止可能導致信號完整性問題的電源完整性問題類型 。
如果需要，這種類型的疊層將為您提供兩個組件層，電路板每側(cè)之間的大量接地以及可用于電源/地平面對以提供足夠的平面間電容的相鄰平面層。第2層和第（N-1）層上的參考平面是確保整個板上的阻抗控制，隔離和一致參考的關鍵層。這種類型的高層數(shù)堆棧（至少6個）對于占位面積較小的更高級的系統(tǒng)很常見。
如果您使用的是純模擬或混合信號設備，則在堆疊和接地平面圖中要考慮許多重要事項。但是，您還必須將高速/高頻組件放置在板上，因此在開始布線之前自然要先檢查一下組件的放置。
元件放置在頂部參考平面上方
首先，您應該將接地層分為數(shù)字部分和模擬部分，但要使這兩個部分保持物理連接，以提供始終如一的低電抗接地路徑。如果您正在使用多個頻率的頻率RF信號，請考慮將第三個模擬地切開以用于這些信號和組件。如果您按照上面的說明堆疊地面和電源，那么您已經(jīng)對電源部分進行了相同的操作，并且理想情況下，可以防止PDN中高傳輸阻抗引起的多端口激勵。
使您的數(shù)字部分和RF部分在接地層上方分開，并遵循返回路徑，以確保信號在PCB布局中被隔離。
隔離布線高頻PCB
要考慮的下一點是如何在組件之間路由走線。但是，您可能還需要一些策略來隔離不同板部分之間以及各個互連之間，以防止干擾。一些策略包括：
表面層上的共面波導布線，特別是組件之間的走線，到饋線的走線或到同軸連接器的走線。
如果您有足夠高的層數(shù)，請考慮為帶狀線布線留出一層。請注意這一點，因為過孔會在超高頻（mmWave）上產(chǎn)生問題。
由于會產(chǎn)生兩個異相輻射源，因此將接地通孔柵欄放置在RF電源平面周圍可提供良好的抑制效果。
考慮使用帶隙結(jié)構(gòu)來提供隔離，因為它們可以直接印刷到高頻PCB上。
與如何進行布線以防止干擾相比，如何設計互連以確保一致的阻抗匹配并不重要。這里最重要的一點可能是跟蹤返回路徑，并使RF互連遠離數(shù)字部分。只要您的RF互連附近沒有大的返回電流，就可以減少對串擾的擔心。盡管如此，在進行原型設計之前，仍有很多要評估的要點，現(xiàn)場求解器可以幫助發(fā)現(xiàn)這些問題。
在使用現(xiàn)場求解器進行原型設計之前評估您的電路板
只要您能消除原型運行并發(fā)現(xiàn)超高頻率的信號/電源完整性問題，就可以節(jié)省時間和金錢。正確的現(xiàn)場求解器可以幫助您完成PCB布局并計算確保RF產(chǎn)品將按設計工作所需的重要信號完整性指標。在高頻PCB中，要檢查的一些重要點是網(wǎng)絡參數(shù)，輻射EMI以及不同板部分之間的干擾。如果您將天線直接放在板上，則還需要檢查輻射方向圖和輻射功率。
當今的高速嵌入式系統(tǒng)結(jié)合了各種功能，組件，數(shù)字接口，當然還包括無線/ RF信令。如果您要設計具有任何計算能力的嵌入式系統(tǒng)，并且還包括模擬前端，那么您將面臨多個混合信號設計難題。無論是簡單的低于1 GHz的無線電連接，Wifi / BLE還是數(shù)千兆以太網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)都需要某種方式來與外界交互，而這種方式不依賴于純數(shù)字信令。這適用于背板，單板計算機，IoT產(chǎn)品等系統(tǒng)。
利用當今嵌入式系統(tǒng)中使用的高頻信號，電路板設計人員有責任在設計過程的早期就解決這些問題。成功的高頻PCB設計可歸結(jié)為三個方面的成功：
疊層設計和接地
元件放置
布線和阻抗控制
這聽起來很明顯，這是我們在此博客的許多文章中介紹的基本設計技巧。但是，這里要強調(diào)這些要點，因為具有某些數(shù)字功能的高頻PCB，尤其是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)，在這三個方面都必須依靠成功來確保系統(tǒng)按設計運行。為了幫助您開始下一個PCB的布局和布局，讓我們從嵌入式系統(tǒng)的高頻設計方面來看每個領域。
高頻PCB設計挑戰(zhàn)
正如我將簡要討論的那樣，高頻PCB和數(shù)字系統(tǒng)所涉及的設計挑戰(zhàn)都集中在信號完整性上，并在某種程度上講是電源完整性。我們在這里考慮的PCB類型是用于嵌入式系統(tǒng)的板，其中還將包括一些RF功能。射頻部分可以通過諸如WiFi或BLE的標準無線協(xié)議實現(xiàn)，而數(shù)字部分幾乎可以與MCU，MPU或FPGA接口。
隔離高頻信號
這些系統(tǒng)中最重要的設計考慮因素可能是隔離數(shù)字和模擬信號。如果系統(tǒng)具有模擬部分，天線饋線等，則需要將模擬部分與數(shù)字部分隔離開來，因為串擾會干擾模擬信號。這是最好使用波導路由的原因之一，因為它可以提供自然隔離，正如我將在下面更詳細地解釋的那樣。
如果您可以成功完成此部分，那么您將更接近在模擬部分生產(chǎn)具有更高EMI抗擾度的模擬部分。正如我將在下面討論的，最好在堆疊階段（設計的開始）而不是在布線階段（設計的末尾）開始考慮這一點。首先，嵌入式系統(tǒng)在布局設計時應考慮一些特性。
是什么使嵌入式技術與眾不同？
嵌入式系統(tǒng)與許多其他帶有高頻PCB的數(shù)字系統(tǒng)之間的區(qū)別是使用高速數(shù)字接口。盡管高速計算接口使用差分對進行數(shù)據(jù)傳輸，但仍有可能在數(shù)字部分和模擬部分之間引起共模噪聲（串擾）。此外，上升時間較快的信號會將其信號功率集中到更高的頻率，因此在單端RF互連上更有可能顯示為噪聲。
由于您基本上是在處理高速運行的小型計算機，因此您還需要考慮電源完整性，尤其是地面彈跳/軌道彈跳。兩種效果基本相同，只是以不同的方式表現(xiàn)出來。
下表簡要總結(jié)了設計帶有模擬部分的嵌入式系統(tǒng)時所面臨的挑戰(zhàn)。通常，我們可以將每個領域中的設計挑戰(zhàn)與堆疊設計，布線/阻抗控制和隔離的三個基本原理聯(lián)系起來。
| 問題領域 | 解決方案領域 | 設計重點 |
| 數(shù)字和模擬部分之間的隔離 | 僅通過直接路徑按功能塊對組件進行分組 | -元件放置 -接地平面設計 -布線 |
| 阻抗控制 | 使用正確的堆疊計算器 | -疊層設計 -路由 |
| 電源完整性 | 在PCB疊層中正確排列層 | -疊層設計 -組件放置（蓋/旁路蓋） |
| 電磁干擾/電磁干擾 | 多種解決方案，取決于涉及的頻率 | -堆疊設計 -布線 |
它始于地平面和疊層設計
正確的PCB疊層可以解決大多數(shù)電源完整性和信號完整性問題。堆疊還會影響可溶解性，可布線性，阻抗控制，EMI / EMC，熱控制和隔離。如果您要設計具有高速數(shù)字接口和模擬部分的嵌入式系統(tǒng)，那么可以使用堆棧來開始考慮您的設計。
我在下面顯示了一個8層堆棧，它將在內(nèi)部為低速信號和所需的附加平面提供空間，但是我僅在板的頂部和底部標記了重要的信號和平面層。如果您不需要此額外空間，則可以使用信號/平面/平面/信號布置在4層停下來。這里的重點是，我允許2個參考層彼此相鄰，而與其他層無關。堆疊類型的目標是使參考平面彼此靠近，以防止可能導致信號完整性問題的電源完整性問題類型 。
如果需要，這種類型的疊層將為您提供兩個組件層，電路板每側(cè)之間的大量接地以及可用于電源/地平面對以提供足夠的平面間電容的相鄰平面層。第2層和第（N-1）層上的參考平面是確保整個板上的阻抗控制，隔離和一致參考的關鍵層。這種類型的高層數(shù)堆棧（至少6個）對于占位面積較小的更高級的系統(tǒng)很常見。
如果您使用的是純模擬或混合信號設備，則在堆疊和接地平面圖中要考慮許多重要事項。但是，您還必須將高速/高頻組件放置在板上，因此在開始布線之前自然要先檢查一下組件的放置。
元件放置在頂部參考平面上方
首先，您應該將接地層分為數(shù)字部分和模擬部分，但要使這兩個部分保持物理連接，以提供始終如一的低電抗接地路徑。如果您正在使用多個頻率的頻率RF信號，請考慮將第三個模擬地切開以用于這些信號和組件。如果您按照上面的說明堆疊地面和電源，那么您已經(jīng)對電源部分進行了相同的操作，并且理想情況下，可以防止PDN中高傳輸阻抗引起的多端口激勵。
使您的數(shù)字部分和RF部分在接地層上方分開，并遵循返回路徑，以確保信號在PCB布局中被隔離。
隔離布線高頻PCB
要考慮的下一點是如何在組件之間路由走線。但是，您可能還需要一些策略來隔離不同板部分之間以及各個互連之間，以防止干擾。一些策略包括：
表面層上的共面波導布線，特別是組件之間的走線，到饋線的走線或到同軸連接器的走線。
如果您有足夠高的層數(shù)，請考慮為帶狀線布線留出一層。請注意這一點，因為過孔會在超高頻（mmWave）上產(chǎn)生問題。
由于會產(chǎn)生兩個異相輻射源，因此將接地通孔柵欄放置在RF電源平面周圍可提供良好的抑制效果。
考慮使用帶隙結(jié)構(gòu)來提供隔離，因為它們可以直接印刷到高頻PCB上。
與如何進行布線以防止干擾相比，如何設計互連以確保一致的阻抗匹配并不重要。這里最重要的一點可能是跟蹤返回路徑，并使RF互連遠離數(shù)字部分。只要您的RF互連附近沒有大的返回電流，就可以減少對串擾的擔心。盡管如此，在進行原型設計之前，仍有很多要評估的要點，現(xiàn)場求解器可以幫助發(fā)現(xiàn)這些問題。
在使用現(xiàn)場求解器進行原型設計之前評估您的電路板
只要您能消除原型運行并發(fā)現(xiàn)超高頻率的信號/電源完整性問題，就可以節(jié)省時間和金錢。正確的現(xiàn)場求解器可以幫助您完成PCB布局并計算確保RF產(chǎn)品將按設計工作所需的重要信號完整性指標。在高頻PCB中，要檢查的一些重要點是網(wǎng)絡參數(shù)，輻射EMI以及不同板部分之間的干擾。如果您將天線直接放在板上，則還需要檢查輻射方向圖和輻射功率。
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