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分享-高速PCB设计心得

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LV8
副总工程师
  • 2009-10-28 13:59:11
“12层电路板怎么画啊?”
“2.5GHz的高速电路怎么布线才能稳定工作?”
“BGA芯片下面怎么布线?孔怎么打?线宽如何确定?”
“我想做i-ram2,但是以前只画过SDRAM,不知道DDRII电路怎么布,咋办?”
“如何画手机主板?PC机主板?PCI采集卡?通信背板?ARM9核心板?千兆网络接口?”
......

随着技术的不断发展,高速多层电路越来越流行,学会这项技术就意味着更高的薪酬,更好的发展前景,即使是低速电路,由于芯片工艺的进步,信号边沿越来越陡峭,也需要按照高速电路来分析,但是,目前国内大多数硬件工程师都属于“自学成材”,没有经过专业系统的训练,再加上有些技术属于“概不外传”的绝招,导致初学者没有设计思路,面对复杂的高速电路一头雾水,看不懂图纸,不知如何下手。下面我将高速PCB设计经验和心得体会系统地呈现给大家,希望能对你有所帮助。

简单说,画PCB就是画画儿,画一些点、线、面几何图形,研究其抽象的拓扑结构。然而,为了画PCB,我们还要做些额外的辅助工作:体系架构设计;IC/FPGA设计;绘制原理图;生产;测试;模具。高速PCB更是需要复杂的信号数学模型来指导我们的设计,绝不是一件简单的工作。好的PCB要:可靠、可生产、可测试、可维护。

======
| 点 |
======
观察PCB上的图形,首先会注意到存在大量的“点”,包括:
过孔
引脚焊盘
MARK点
ICT测试点
安装孔
......
这里要谈的内容是:盲孔、埋孔、过孔;过孔会引起阻抗不连续;过孔载流量和周长的关系;板厚孔径比;BGA下的过孔;多个过孔共享一条线;金属化与非金属化;中心孔、焊盘、热焊盘优选尺寸;MARK点的识别、共享,何时需要MARK点;ICT定位孔要求;ICT测试点要求;多点接地;马蹄形孔(跑道孔);堵绿油工艺;点线间距;十字花盘......

======
| 线 |
======
其次,你会看到大量的“线”,线的属性有:
长、宽、高(厚)
线间距
导角
传输线模型
延迟
......
这里你要知道的是:最大/最小线长度;等长线;线宽和阻抗的关系;线宽铜厚温度和载流量的关系;3W规则;1盎司铜重相当于多少um;圆弧走线;微带线和带状线;表面信号线和板内信号线的延迟时间(ps/英寸)......

======
| 面 |
======
最后,关于“面”,就是布局。
布局的关键是先确定固定的接口接插件位置,再根据冷热、高速低速、重要次要均衡分布原则调整各元器件位置。

============
| 拓扑结构 |
============
了解了点线面就可以开始布局了,常用的拓扑结构有:
星型
菊花链
树枝
点对点
......
各种结构各有优缺点、限制条件和适用范围,我们会详细论述。

============
| 层叠结构 |
============
在画板之前要先确定层叠结构,这里我们会举例说明4层、6层、8层、16层板的层叠方法,以及通过一个4层板说明如何辨别层叠的好坏。部分内容如下:

首先,要划分层叠结构,为了方便设计,最好以基板为中心,向两侧对称分布,相临信号层之间用电地层隔离。
层叠结构(4层、6层、8层、16层):
对于传输线,顶底层采用微带线模型分析,内部信号层用带状线模型。6层/10层/14层/18层基板两侧的信号层最好用软件仿真,比较麻烦。
6层/10层/14层/18层等基板两侧是信号层,没有电地隔离,需要注意相临层垂直走线和避免交流环路。
如果还有其他电源,优先在信号层走粗线,尽量不要分割电地层。

===== 玻璃纤维基板
----- FR4绝缘介质材料
S(*) 信号层(层号)
TOP 顶层信号层
BOTTOM 底层信号层
TOP TOP TOP TOP
------- ------- ------- -------
GND2 +5V +5V +3.3V
======= ------- ------- -------
+5V S3 S3 S3
------- ======= ------- -------
BOTTOM S4 GND4 GND4
------- ======= -------
GND5 GND5 S5
------- ------- -------
BOTTOM S6 +1.5V
------- -------
+3.3V S7
------- -------
BOTTOM GND8
=======
GND9
-------
S10
-------
+1.0V
-------
S12
-------
GND13
-------
S14
-------
+1.8V
-------
BOTTOM
一个四层板的层叠设计方案,确定哪种最好:
第一种 第二种 第三种
Layer1 Signal Gnd Gnd
Layer2 Gnd/Pwr Signal/Pwr Signal
Layer3 Pwr/GND Signal/Pwr Signal
Layer4 Signal Gnd Pwr
更多内容可以看www.armecos.com文章中心里的《PCB多层电路板设计与制作指导》。

============
| 电地分割 |
============
在电源种类比较多的情况下,就需要在同层开槽分割电地平面,分割导致电流回流路径被阻断,跨越分割的线上阻抗不连续,如何减少分割的影响呢?这里给出若干解决方法。有时,分割的影响是有益的,例如:RJ45网络插座变压器下面的分割可以减少网线上传导的干扰,此时,我们就要充分利用分割的优点。

一些相关内容:
正片/负片、压差、分割区内走线,完整电地平面......
FR4-------2.5G-5G
Rogers----10G

==========
| 接插件 |
==========
这个有什么可讲的,不就是一些2mm欧式插座,PMC插座之类的东西嘛!其实,接插件的学问可大了,为什么有些人设计的板子不稳定?为什么抗干扰能力差?有部分原因就是由接插件引起的。

首先要注意的就是引脚排布,重要信号线两边放什么,对端放什么,高速信号线周围放什么信号,特别讲究。有些人在时钟信号线对面放高速信号;1A电流只用一两根引脚接入;重要信号线周围不分配多余的保护地线等等,如果引脚分布不合理,即使板子内部设计得再好,也不能保证整个电路稳定工作。光引脚分布合理还不成,下面的引出线也大有讲究,就拿电源引脚来说,虽然为1A电流分配了多个引入脚,但是怎么把这个电流引到板子上呢?过孔打几个,线多粗,如何保证电地通道完整性?要不要铺铜?等等。

其次,要注意封装。你知道有几种封装呢?
一种是丝印封装,就是印在板子的器件外型丝印,这个照着手册就可以画出。
有人倒是按照手册画出了丝印封装,但是做回板子后器件却装不上,原来该器件的外型比丝印大,其他小器件被焊接在这个器件下面了,这就是第二种封装---外型封装。
器件终于被安装到板子上了,可是接头却比插座大,因为周围器件影响,插不上。这就是忽略接头封装造成的后果。
即使接头封装合适,能插在牛头插座上,但是牛角打开后会占用更大的空间,两个牛头插座靠得太近的话,可能卡子打不开,这是忽略工作封装的后果。
......
封装共有九种之多,你知道几种呢?如果你知道的不全,是不是就不敢保证“一版成功”?光少做几版省下的钱就够你参加几次培训的了,是不是?

最后,要了解到底是压接好还是焊接好?内存条平插、斜插、竖插哪种好?(从占用空间大小、散热、稳定性等方面考虑)

一些插座类型:PMC、PCI、CPCI、DIMM、SODIMM

================
| 其他重要内容 |
================
限于篇幅,有些非常重要的内容这里只简单概括地罗列一下:

时钟---这是非常重要的内容!
源同步时钟模式;公共时钟模式:建立/保持时间
始端匹配;终端匹配;点对点
时钟分配驱动:0 jitter抖动;0 delay延时;环回;电压;频率上限
晶体、晶振布线要点
时钟线长度、线宽、线延时、线间距,周围留出空间,圆弧走线
频率、精度
电源---功率(标称、额定、最大、平均、峰值)
上电时间
上电顺序:现在复杂CPU芯片上电有顺序要求
纹波
种类:core、I/O、AVCC/AGND、PLL供电
上电复位
板上位置(噪声、散热、结构)
AC/DC、DC/DC、LDO线性(从功耗、响应速度、电路简单性、噪声、适用性等几个角度考虑)
滤波,电流大小、线宽,分割,层叠结构
复位---上电复位
电源监控
手动复位
看门狗
系统复位、全局复位、局部复位
FPGA加载控制与全局复位
总线---总线架构优于CPU选型
效率、健壮性
PCI、PCI-X、ISA、PCMCIA、LVDS、serial BUS
内存种类:cache、SDRAM、DDRI、DDRII、flash、bootrom、NVRAM、SRAM等
接口---接口效率优于CPU选型
常用接口:
RS232、RS485、V.35、E1 HDLC
百兆、千兆、POS接口:MII、RMII、SMII、GMII、TBI(serdes)、UTOPIA I/II
光口:单模/多模、SFP/GBIC
CPU----位宽:32bit、64bit
CISC、RISC、MIPS
Network Processor
多核CPU:如:IBM cell
性价比
效率
OS
散热
功耗
电源种类,上电顺序
加载顺序
仿真头(大众流行)
产品周期
供货情况
规则---环路面积、3W规则、20H规则、正交规则、5-5规则、单点/多点接地......
BGA----BGA器件与其他器件的间距
BGA下面的孔和线怎么布
BGA电地通路,孤铜
去耦电容分布、反面器件分布
......
背板---板厚,板厚孔径比
汇流排
加强筋
插座
位置定位
布线要求,时钟同步
热插拔
......

其他---中断、上下拉电阻、看门狗电路、跳线、金手指、EMI/EMC/ESD、FPGA/CPLD、匹配、波峰焊工艺、散热、各种地的概念、热插拔、夹具留边,器件间距......
jitter、delay、ring振铃、crosstalk串扰、反射、地弹
电阻、电容、电感、磁珠、晶体、变压器、光耦......
最小化电路、检查列表checklist
从设计到生产的设计流程,所需数据
产品生命周期

例如:电阻的阻值是离散的,有标称阻值,允许偏差,注意额定功率和使用电压,材料,工艺,制作方法,特殊用途,色标等。电阻器的主要用途有1、限流;2、分压;3、定时;4、电流电压变换;5、阻抗匹配;6、改变电路参数;7、测温或温控;8、特殊电阻应用(过流、过压、过热保护)。

0欧电阻用途?
为什么电源脚同时并联一个大电容和一个小电容?为什么并联两个容量相同的电容?
磁珠的使用场合,参数,陷波作用。
变压器初次级隔离。
LVDS设计经验谈,如何布LVDS差分线,如何放置匹配电阻?
PECL电平电路设计
......
===================
| PCI板卡布线参考 |
===================
PCI总线具有自动配置功能,数据带宽大,广泛应用于数据I/O设备,下面以PCI采集卡为例说明如何综合使用前面所讲内容。

好多人画板都是直接抄别人,其实,看看框图就可以了,比如:有些板子参考设计上使用了bootrom/flash,为了方便生产,可我不一定用啊,那就不能直接抄了。

PCI卡上有三种电源:3.3v、5v、12v,怎么分割电源层呢?怎么样才能保证电地平面完整呢?12v用于风扇属于低速信号,如何布低速高压电源信号呢?我们会教你一种巧妙方法满足所有条件,还不降低性能。

PCI的元件只能放在B面上,板厚不能超过1.6mm,否则插不进去。中断线可以共享。正面线不打孔,背面线只打一个孔。clock线约束为小于等于2.5",其他线为小于等于1.5"。中断复位线可以走很长。

因为卡槽接触点在金手指中间,所以要在接触点以下分割电地,不要在上面分。以金手指中间为界向下铺电地。

时钟和其他信号线间距要够大,可以在其附近走低速复位线。走线要算总长,PCI很皮实,即使不满足要求,也可能正常工作。

更多内容,我们最好看图讲比较好。
=================
| DDRII布线参考 |
=================
DDRII内存比传统的SDRAM内存速度快,功耗低、价格便宜,它采用源同步数据选通信号和数据同传方式,在选通的上下边沿都采样数据,所以,性能得到大幅提升。

虽然,使用DDRII内存能带来很大的好处,但是,必须在图纸和PCB设计阶段小心处置,以便确保真正实现所需性能。DDRII设计给板级设计人员带来了一系列原来在SDRAM设计时未曾遇到过的新的挑战:更小的建立/保持时间;更清晰的参考电压;更严格的线长匹配;新的I/O信号(SSTL-2);正确地端接要求。

硬件工程师面临的挑战可以归纳为以下几点:
1、布线要求高;
2、电源的供给和去耦要求,包括:DDRII芯片和控制器、VTT、VREF;
3、针对给定内存拓扑结构的正确端接。

我们将讨论下面的几种情况下如何布线:
1、单条/多条DIMM-------register,unbuffered
2、单条/多条SODIMM-----register,unbuffered
3、直接焊接在板子上的内存颗粒
4、混合型-----内存颗粒加DIMM扩展槽

DDRII信号可以分为5组:
1、时钟:差分
2、数据
3、地址/命令
4、控制
5、反馈信号

我们在课上将详细研究DDRII的布线方法,用DDRII布线来演示如何融会贯通地使用前面讲到的各种知识。

有兴趣了解更多知识的网友可以看看《ecos增值包》里的《DDR2 SDRAM 和嵌入式系统》,《SDRAM和DDR布线指南》。

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| 划分系统模块的分析方法 |
==========================
大家知道,医学上为了更好地研究人体,把人分成了几大系统:血液循环系统、呼吸系统、神经系统......同样地,如果把电路划分成几个功能模块分别加以研究解剖,那么就可以更深入地理解电路功能,更快地发现问题。

比如:单独把电源系统拿出来研究,你会清楚地看到各种电压的电源之间的连接关系,电源线的粗细。电源系统就相当于血液循环系统,如果线太细,不能承载所需电流,那就是血管狭窄。

再比如:中断系统就相当于神经系统,单独摘出来研究,你可以清楚地看出他们之间的关系,如果中断出错,那就得了神经病,呵呵。

我们可以独立出:复位系、时钟系、电源系、中断系......就象照X光片一样,通过划分功能系统,我们能一眼看出问题所在。

你可以用这种X光机分析一下自己的板子是不是有“心脏病”,“先天性血管狭窄”,“神经错乱”,“骨骼发育不良”......呵呵,是不是很有意思!

感兴趣的网友可以看看《ecos增值包》里的《EasyARM2200硬件设计的几点改进意见》文档。

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| 事故记录和总结 |
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1、某公司量产20000块8层通信板,现场调试发现上电后有一半工作正常,一半死机,原因不明。如果报废一半板子则损失惨重,即使留下的正常板子也无法确定是否能一直正常工作。遇到这种情况,必须彻底查明原因,因为硬件工程师都有“疑心病”,如果前面遇到的问题没有彻底解决,后面又遇到新状况,这时就没法确定到底是前一个问题引起的还是又出了新问题,导致自乱阵脚。最后,花费了巨额人力物力财力,终于用非常先进的示波器抓住了一次短暂的复位跳变,这才发现是芯片型号用错了。74LS被用成了74HS,H是什么含义呢?可不是高速哦,是保持的意思,它保持了上电期间的随机状态,导致复位死机。采购没有注意到HS和LS的细微差别,LS的货不够了,就用了一半HS的芯片顶替,导致10000块板子出事。其实,研发人员也不知道这回事,只是在实验测试时恰好用了LS的片子,所以,测试都正常。

2、某公司做一多层交换机板,工作不很稳定,设计者号称某大公司具有8年工作经验的硬件工程师,我看了一下,发现层叠的最里层是两个信号层,无电地隔离,此种情况下没有遵守正交规则,而且到处充满“交流环”,虽然画得很漂亮,但根本不可能稳定。所以说,一个硬件工程师,不能说干了8年就有8年经验,也许他只是把第一年的经验重复了7次,充其量只有1年的工作经验。另外,即使在大公司,如果不接受专业系统地培训,很快就会遇到瓶颈,自己的水平原地打转,无法突破上层次。虽然大公司里的资料规范多,但如果你没有受过专业训练的话,即使资料摆在你面前,你也看不出门道,入宝山而空返,白白浪费学习机会。学习硬件一般靠师傅带徒弟的模式,自学很难(写书的人不做,做的人不写书),但是在同一公司,师傅的眼界不一定宽,还有“教会徒弟饿死师傅”,所以,效果可能不如外面教得好,是不是这个理儿啊。

3、某公司一块板子,在长时间使用后突然工作不正常,时好时坏,检查时把所有器件挨个排除了一遍也没发现问题,后来,拿回实验室检测,发现是设计错误。板子的接地焊盘是用实心地连接的,由于电流太大,热胀冷缩,天长日久,接地盘的铜箔翘起来了,和接地盘只有一小条铜丝连接,导致地电平不准,系统工作不正常。正确的做法是用十字花盘连接,留出膨胀空间。硬件设计没有细节重点之分,很可能一个小细节害死你,境界问题,过了很久才明白这个道理。

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| 推荐EDA工具、仪器 |
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PPT:哈哈,学好PPT(Power point幻灯片),走遍天下都不怕。
Excel:计算线长、载流量、线宽等特方便,把数填进去立马出结果,好多公式都这么算的。
Candence:Allegro画图很方便,推挤、笔画功能等。
POWERPCB/OrCAD
Mentor
......

示波器
逻辑分析仪
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| 推荐PCB板厂 |
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深南电路板厂
昆山沪士
金百泽
深普快捷
东莞生意
......

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| 硬件工程师职业规划 |
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1、硬件系统架构师
2、IC设计、FPGA设计、SCH设计
3、PCB设计

一般按照这个顺序划分层级比较科学,为什么SCH安排在PCB之前呢?因为所有的处理都要先在SCH上体现出来,然后才能画PCB,在PCB上的改动都是马后炮,来不及了。当然,PCB可以立即体现在产品上,而且很多公司抄的电路图,所以,有时候PCB比较吃香。

不同行业赚钱速度是不一样的,建议画手机板、通信板,射频板,高速多层复杂板等。
......


综上所述,硬件设计就是与干扰做斗争,把干扰情况解决了,硬件就设计好了。我们从点线面,拓扑结构,层叠顺序,各种功能部件,常用元件,到硬件工程师心理分析,职业生涯规划,系统地介绍了硬件工程师所要了解的内容,感兴趣的网友可以访问:www.armecos.com了解更多内容。当你真正掌握了以上内容,再画什么ARM9核心板,DSP高速处理板,统统不在话下,因为他们都是一回事。
一个小兵
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LV6
高级工程师
  • 2009-10-28 15:58:16
  • 倒数4
 
顶楼主,辛苦了,精神可嘉。
伟林电源
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积分:24167
版主
  • 2009-10-28 22:11:10
  • 倒数3
 
相当不错的介绍,赞一个。。。。
做人要厚道
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LV2
本网技师
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恩 不错 顶
仙人掌
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高级工程师
最新回复
  • 2009-11-3 15:09:12
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感谢楼主分享。
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