如何优化高频电路板 layout 设计？

如何优化高频电路板 layout 设计？

高频电路板（PCB）设计是电子工程领域的重要课题，特别是在处理高速信号和射频信号时。本文将探讨高频PCB与高速PCB的区别，分析高频PCB设计面临的挑战，并提供优化设计的实用指南。

高频PCB与高速PCB的区别

虽然我们通常认为噪声与声音干扰的音量有关，但噪声的频率远远超出了我们的听觉范围—最高约为 20 kHz。事实上，电子设计人员和开发人员认定的噪声大部分只能在示波器或类似设备上看到，而人耳是听不到的。无论是听到还是看到的噪声，我们通常所说的噪声都有一个共同点，那就是噪声具有干扰性。

噪声是高频PCB设计的克星。对于依赖高保真度的数据和信息才能正常运行的电子系统来说，噪声或电磁干扰（EMI）是电子线路板上和电子线路板之间的主要干扰源。对于高速和高频PCB设计而言，优化PCB layout的许多指导原则都是严格按照一定的要求制定的，即减少或消除板载EMI和/或在运行环境中实现最佳电磁兼容性（EMC）。

高频PCB与高速PCB的定义

频率和速度通常是同义词，让我们来明确一下这两个术语的定义：

• 高速PCB：速度是一个时域术语，高速PCB通常用于描述以较快或较高的数据传输速率或比特率传输、接收和/或处理数字信号的电路板。

• 高频PCB：在频域中，描述信号的方式是它们完成一个周期需要多长时间。高频PCB通常指传播模拟或射频信号频率较高的电路板。

与模拟信号不同的是，数字信号不一定具有持续重复的周期。然而，模拟信号频率（以s-1或Hz为单位）和数字信号速度（以比特/秒或字节/秒为单位）都是以时间为单位进行测量的。

具体讲解欢迎点击文末阅读原文观看视频。

在Allegro X PCB Designer工具中的高速设计

高频或高速对于电子线路板的意义是相同的。也就是说，“高”意味着电路板上信号变化的速度会使信号完整性受到阻抗和其他电路板参数的严重影响。但是，到底多高才算“高”呢？对于射频信号而言，频率超过约50 MHz乃至微波范围时，就会对信号完整性产生影响。而对于数字信号来说，答案却没有这么简单。

PCBA可以根据最快的信号所在的速度域进行分类。可分为以下三个速度域：

如上图所示，如果信号在通过路径长度所需时间的1/4时间内转换，则电路板被归类为慢速电路板，频率或速度不会对电路板的性能或信号完整性产生重大影响。对于快速电路板，频率可能会产生一些影响。不过，可以通过缩短路径长度来减轻影响。对于高速和高频PCB设计而言，有一些挑战必须要加以应对。

高频PCB设计的挑战

高频PCBA的设计与大多数其他电路板的设计类似，都应遵循旨在确保可靠性和可制造性的IPC标准。但是，为了确保符合电路板性能标准，高频电路板还需要考虑以下一些问题：

• 辐射：高频和高速电路板通常包含会辐射EMI的器件。这些设备（如无线发射器、转换器和电源）会产生板载EMI，并影响电路板安装环境的电磁兼容性。

• 吸收：与辐射EMI相反，电路板可能会吸收附近电路板或设备的辐射，从而影响电路板的性能。

• 信号衰减：限制信号衰减是一个主要的考虑因素，当差分对不匹配、传输线过长、缺乏所需屏蔽或存在其他诱因时，可能会出现信号衰减。

• 反射：信号完整性低下的另一个原因是缺乏阻抗匹配，这会导致信号被过度反射回信号源，而不是向前传输。

• 耦合：当两个导体靠得很近时，就会发生耦合。显然，这会对信号传播产生负面影响；因此，间距是PCB layout设计中一个非常重要的参数。

• 寄生电容：寄生电容是电路板上不良耦合的主要来源之一。虽然这种虚拟的无功器件无法完全消除，但可以将其影响降至最低。

• 谐波失真：谐波失真是信号完整性问题的常见来源。频率偏移是影响发射机/接收机性能的因素之一。

• 共模噪声：对于带有电源和/或转换电路的电路板，共模噪声可能会造成问题。共模噪声通常是由于终端之间存在杂散电容造成的。

• 表面漏电起痕：对于高电压和/或高电流PCBA，表面漏电起痕可能会造成问题，即通过不良绝缘层产生电流路径。漏电起痕可能会造成危险，导致器件烧毁甚至起火。

上述所列的内容并非详尽无遗，但从中我们可以发现，高频PCB设计必须小心谨慎。

优化高频电路板设计

要创建最佳的高频PCB layout，就必须在设计过程的几乎所有方面做出正确的决定。其中包括器件放置、间距和间隙、布线、堆叠、接地和材料选择。为此，可以采用以下简单的三个步骤来实现这一目标。

1. 采用并遵循良好的高频PCB设计指南

重要的是要制定设计计划，该计划应包含经过验证的设计原则，包括解决性能、运行、可制造性和可靠性问题的具体措施，如下所示：

• 材料选择：确保介电常数在高频运行下保持稳定；使用较薄的铜皮；采用阻焊层，以尽量减少耗散因子。

• 器件摆放：根据信号类型对器件进行分组；隔离天线等辐射源。

• 间距和间隙：差分走线之间保持相等的间距；遵循爬电和间隙标准。

• 布线：在不同层上对不同的信号类型进行布线；尽量缩短走线长度；尽量增加不同走线之间的间距。

• 堆叠：如果可能的话，尽量采用对称的堆叠。

• 接地：针对不同类型的信号采用单独的接地；避免将接地层与信号分开。

• 滤波：对于快速开关型电路板，良好的滤波对减少EMI至关重。

• 屏蔽：使用屏蔽保护高辐射器件。

在设计时遵循上述指南和其他设计规则，有助于确保电路板实现性能和运行目标。不过，所有设计要求都应在合同制造商的能力范围内，以确保可制造性设计。

2. 设置并管理约束条件

制定必要的设计规则和准则时需要设置一个约束管理器，如下所示：

大多数优秀的PCB设计软件都提供类似上面的选项，用于设置电气、物理和制造方面的考虑事项。挑战在于将它们整理好，确保最关键的事项得到优先考虑。

3. 验证设计

高速PCB设计的最后一步是验证设计，确保纠正了所有违反设计规则的错误，并且所有选择都在合同制造商的DFM（可制造性设计）能力范围内。我们还建议利用仿真来测试电路板的电源分配网络、热曲线和信号流。

结语

高频PCB设计是一个复杂而精细的过程，需要综合考虑多个方面的因素。通过遵循本文提供的设计指南和优化策略，工程师们可以更好地应对高频PCB设计中的各种挑战，实现高性能、高可靠性和可制造性的设计目标。