高速PCB布线拓扑.doc

高速PCB布线拓扑 走线的拓扑结构是指一个网络的布线顺序及布线结构。对于多负载的网络，根据实际情况，选择合适的布线拓扑结构并采取正确的“地”端接方式很重要。通常情形下，PCB走线可以选用如图所示的几种拓扑结构。 （1）点到点如图2（a）所示的是点到点的拓扑结构，比较简单，只要在驱动端或接收端进行适当的阻抗匹配（通常情况下使用其中的一种就够了，有的电路会出现要求同时使用两种匹配的情况），便可以得到较好的信号完整性。（2）菊花链当网络的整个走线长度延迟小于信号的上升或下降时间时，可采用如图（b）所示的菊花链拓扑结构，布线从驱动端开始，依次到达各接收端，在实际设计中，应使菊花链布线中分支长度尽可能短。菊花链走线的优点是： 占用的布线空间较小并可用单一电阻匹配终结； 在控制走线的高次谐波干扰方面，效果较好.菊花链走线的缺点是： 布通率低，不容易100布通； 不同的信号接收端，信号的接收是不同步的。（3）星形一个信号驱动器驱动多个信号接收器，并要求多个信号接收器同时接收信号时，要使用如图（c）所示的星形拓扑结构，要求每个分支的接收端负载和走线长度尽量保持一致，每条分支上一般都需要终端电阻，终端电阻的阻值应和连线的特征阻抗相匹配。这样即使在边沿速率非常快的情况下仍可以得到很好的性能。星形拓扑结构可以有效地避免时钟信号的不同步问题，但在密度很高的PCB上手工完成布线十分困难，可采用自动布线器完成星形布线。（4）远端分支远端分支如图（d）所示，它跟星形类似，只不过分支是靠近接收端。在这种拓扑结构中，也要限制远端分支的长度，使分支上的传输延时小于信号的上升或下降时间。（5）周期性负载周期性负载的拓扑结构如图（c）所示，要求每段分支的长度足够小，使分支上的传输延时小于信号的上升或下降时间。这种主干传输线和所有的分支段组合起来的结构可以被看做一段新的传输线，其特征阻抗要比原来主干传输线的特征阻抗小，传输速率也比原来的低，因此在进行阻抗匹配时要注意。在实际的PCB设计过程中，对于关键信号，应通过信号完整性分析来决定采用哪一种拓扑结构。PCB布线拓扑结构以其应用场合 常见的拓扑结构有：（1）点到点拓扑最简单的拓扑结构，单一驱动器、单一接收器。（2）紧凑树形拓扑用最短的互连传输线将驱动器和接收器一个一个串起来，从主驱动器开始，首先用传输线连接到与该主驱动器最近的一个缓冲器上，然后在剩下的未连接缓冲器中寻找与己经连接的缓冲器最近的一个缓冲器，并将两者用传输线连接起来，依次类推，直至完成所有的缓冲器连接（3）菊花链拓扑用最短的互连传输线把所有的缓冲器连接起来，但是每个缓冲器最多只能通过两段传输线连接到另外的两个缓冲器，从主驱动器开始，然后通过传输线连接到与主驱动器最近的缓冲器上，然后查找与该缓冲器最近的未连接缓冲器，将两者用传输线连接起来，然后再以刚加入连接的缓冲器为基准，再次查找最近的未连接缓冲器进行连接，依此类推，直至完成所有的缓冲器连接，连接完成后，从主驱动器开始，所有的缓冲器连接成链状（4）星形拓扑从主驱动器开始，首先通过传输线完成和其它驱动器的菊花连接，然后所有的接收器都通过传输线连接到最后一个连入驱动器菊花链的那个驱动器上。如果只有一个驱动器，则这个驱动器位于星形的中央。（5）远端簇形与星形很相似，不同之处在于最后一个连入驱动器菊花链的那个驱动器通过一段较长的传输线连接到一个“T”形节点上，然后所有的接收器也都通过传输线连接到这个“T”节点上，所有的接收器都簇笼在一起。（6）混合拓扑是以上各常规拓扑结构的混合、交叉使用。各种互连拓扑的特点和适用场合网络连接究竟应该采用哪种拓扑形式，在很大程度上是由电路的要求决定的，然后才是布局、布线的方便性。（1）点到点拓扑这种拓扑是最简单的，布局布线上都很容易实现，易于实现阻抗控制。普通低速网络是否能采用用点到点拓扑，完全看电路的需求；而高速和超高速的互连，很多情况下必需要求点到点的互连，如高速串行信号的互连，以最小化阻抗不连续带来的影响；精确定时的时钟信号也不允许有分叉存在，因为分叉带来的阻抗不连续会引起附加抖动。（2）紧凑树形拓扑这种拓扑总的互连线长度是最短的，只适用于低速、不用阻抗控制的信号，比如在没有电源层的情况下，电源的布线就可以采用这种拓扑。（3）菊花链拓扑一般而言，对于多负载的总线系统常采用菊花链拓扑，并在最远端的负载处进行适当的终结。菊花链拓扑的优势在于易于进行阻抗控制，端接简单，网络的布线长度短，布线较为方便，只要各个接收器在接收信号时间上的差别在允许的范围内就可以采用菊花链拓扑进行布线（这也说明菊花链拓扑不适用于高速系统），注意要让菊花链的分支线尽量短，一般需要前仿真和后仿真。（4）星形拓扑星形拓扑也是一种常用的多负载布线拓扑，驱动器位于星形的中央，呈辐射状与多个负载相连，星形拓扑可以有效避免信号在多个负载上的不同步问题，可以让负载上收到的信号完全同步。星形拓扑的问题在于需要对每个支路分别终端端接，使用器件多，而且驱动器的负载大，必需驱动器有相应的驱动能力才能使用星形拓扑，如果驱动能力不够，需要加缓冲器。为了降低功耗和缓解驱动器的负载压力，可以采用RC 终端端接，但这种端接方式更加复杂，而且只能用于时钟信号。星形拓扑一般在时钟网络或对信号同步要求高的网络中应用，其共同点就是要求各接收器在同一时刻收到驱动端发来的信号，星形拓扑的布线难度比菊花链拓扑的要大，占用空间也大。实际的星形拓扑会存在端接传输线分支，驱动器与公共节点间存在传输线分支，这些都会劣化信号，所以在完成星形拓扑一般需要前仿真和后仿真，以保证信号的完整性。（5）远端簇形拓扑远端簇形拓扑实际上是星形拓扑的一个改进，它将星形拓扑中位于源端的分支节点移动到与接收器最近的远端，即满足了各个接收器上接收信号的同步问题，又解决了阻抗匹配复杂和驱动器负载重的问题，因为远端簇形拓扑只需要在分支节点处终端匹配就可以了。远端簇形拓扑要求各个接收器到分支点的距离要尽量近，分支线长了会严重影响信号的质量，如果各个接收器芯片在空间上不能摆放在一起，那么就不能采用远端簇形拓扑。同样，一般需要前仿真和后仿真，以保证信号的完整性。（6）混合拓扑无招胜有招，混合拓扑属于设计人员自由发挥了，但不管怎么样，必需要满足电路的要求，一定要进行前、后仿真，确保信号的质量OK。总之，我们在进行拓扑设计时，可以在以上经典的拓扑基础上灵活运用，没有定式，一个大的原则就是保证信号质量，武器就是利用SI软件进行拓扑的分析和仿真。如何避免高速PCB设计中传输线效应技术分类： EDA工具与服务 | 2009-11-20 1、抑止电磁干扰的方法很好地解决信号完整性问题将改善PCB板的电磁兼容性(EMC)。其中非常重要的是保证PCB板有很好的接地。对复杂的设计采用一个信号层配一个地线层是十分有效的方法。此外，使电路板的最外层信号的密度最小也是减少电磁辐射的好方法，这种方法可采用表面积层技术Build-up设计制做PCB来实现。表面积层通过在普通工艺 PCB 上增加薄绝缘层和用于贯穿这些层的微孔的组合来实现，电阻和电容可埋在表层下，单位面积上的走线密度会增加近一倍，因而可降低 PCB的体积。PCB 面积的缩小对走线的拓扑结构有巨大的影响，这意味着缩小的电流回路，缩小的分支走线长度，而电磁辐射近似正比于电流回路的面积；同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用，这又使得连线长度下降，从而电流回路减小，提高电磁兼容特性。2、严格控制关键网线的走线长度如果设计中有高速跳变的边沿，就必须考虑到在PCB板上存在传输线效应的问题。现在普遍使用的很高时钟频率的快速集成电路芯片更是存在这样的问题。解决这个问题有一些基本原则：如果采用CMOS或TTL电路进行设计，工作频率小于10MHz，布线长度应不大于7英寸。工作频率在50MHz布线长度应不大于1.5 英寸。如果工作频率达到或超过75MHz布线长度应在1英寸。对于GaAs芯片最大的布线长度应为0.3英寸。如果超过这个标准，就存在传输线的问题。3、合理规划走线的拓扑结构解决传输线效应的另一个方法是选择正确的布线路径和终端拓扑结构。走线的拓扑结构是指一根网线的布线顺序及布线结构。当使用高速逻辑器件时，除非走线分支长度保持很短，否则边沿快速变化的信号将被信号主干走线上的分支走线所扭曲。通常情形下，PCB走线采用两种基本拓扑结构，即菊花链(Daisy Chain)布线和星形(Star)分布。对于菊花链布线，布线从驱动端开始，依次到达各接收端。如果使用串联电阻来改变信号特性，串联电阻的位置应该紧靠驱动端。在控制走线的高次谐波干扰方面，菊花链走线效果最好。但这种走线方式布通率最低，不容易100%布通。实际设计中，我们是使菊花链布线中分支长度尽可能短，安全的长度值应该是：Stub Delay 100MHz的时候，就可以称为高频电路。所以，在数字电路中，是否是高频电路，并不在于信号频率的高低，而主要是取决于上升沿和下降沿。根据这个公式可以推算，当上升时间小于3.185ns左右的时候，我们认为是高频电路。 对于大多数电子电路硬件设计工程师来说，完全没有必要拘泥于概念的差异，心中应该有个广义的“高速”定义，那就是：如果在确保正确的电气连接的前提下，电路仍不能稳定的高性能工作，而需要进行特殊的布局，布线，匹配，屏蔽等处理，那么，这就是“高速”设计。1.2 高速带来的问题及设计流程剖析 虽然不少人对高速可能有了一点概念性的认识，但往往难以想象在所谓的“高速”情况下，会真正给实际的电路系统带来什么样的后果，这里我举几个实际的案例来剖析一下高速给PCB设计带来的一系列问题。 A某公司早期开发的一个产品，一直工作良好，可是最近生产出来的一批却总是毛病不断，受到许多客户的抱怨。可是根本没有对设计进行任何变动，连使用的芯片也是同一型号的，原因是什么呢? B某个PCB工程师Layout经验非常丰富，设计的产品很少出过问题，但最近设计了一块PCB板，却发现了EMC检测不合格的问题，改变布线也毫无效果，但以前类似的板子却没有这样的问题。 C一个专业的内存模块设计工程师，从EDO内存到SDRAM的PC66，PC100，设计过很多项目，很少出现问题，可是自从内存时钟频率上到133MHz以上时，几乎很少有设计能一次性通过的。 简单分析一下上面的几个案例，A的情况是由于芯片的工艺改进造成的，虽然所使用的芯片基本电路功能一样，但随着的IC制造工艺水平的提高，信号的上升沿变快了，于是出现了反射、串扰等信号不完整的问题，从而导致突然失效；B例子中，通过细致地检测，最终发现是PCB板上有两个并排平行放置的电感元件，所以产生了较为严重的EMI；C中的内存设计师则是因为忽视了严格的拓补结构要求，在频率提高、时序要求更严格的情况下，非单调性和时钟偏移等问题造成了设计的内存模块无法启动。除了以上提到的三个实例，还有很多其他的问题，比如因为电容设计不当导致电源电压不稳而无法工作，数模接地不正确产生的干扰太严重使得系统不稳定等等。 随着电子技术的不断发展，类似于以上的各种问题层出不穷，而且可以预见，今后还会出现更多的这样或那样的问题。所以，了解信号完整性理论，进而指导和验证高速PCB的设计是一件刻不容缓的事情。 传统的PCB设计一般经过原理图设计、布局、布线、优化等四个主要步骤，由于缺乏高速分析和仿真指导，信号的质量无法得到保证，而且大部分问题必须等到制板测试后才能发现，这大大降低了设计的效率，提高了成本，显然在激烈的市场竞争下，这种设计方法是很不利的。于是，针对高速PCB设计，业界提出了一种新的设计思路，称为“自上而下”的设计方法，这是一种建立在实时仿真基础上优化的高效设计流程，见图1-1-1： 图1-1-1高速PCB设计流程 从上面的流程图可以看到，高速的PCB设计在完成之前，经过多方面的仿真、分析和优化，避免了绝大部分可能产生的问题，如果依托强大的EDA仿真工具，基本上能实现“设计即正确”目的。 在整个高速设计过程中，信号完整性工程师必须贯穿于设计的始终，Cadence公司的首席顾问Donald Telian曾给信号完整性工程师归纳了七点作用： 研究和定义(pioneering and defining) 分类和总结(Partitioning 和Approximating) 建模和测量(Modeling and Measuring) 设计和优化(Designing and optimizing) 量化和验证(Quantifying and verifying) 减少和简化(Reducing and simplifying) 联系和调试(Correlating and Debugging) 对于以上这七大作用的详细阐述，可以参见1997 high performance system Design Conference上Donald Telian的原稿。1.3 相关的一些基本概念 在具体讨论信号完整性理论知识之前，这节中我们将对高速设计中经常提到的一些基本名词做些简单地整理和介绍，给初步接触高速的设计人员提供一个概念性的认识。信号完整性(Signal Integrity)：就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是完整的。传输线(Transmission Line)：由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线，我们称之为传输线，有时也被称为延迟线。集总电路(Lumped circuit)：在一般的电路分析中，电路的所有参数，如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上，各个元件上，各点之间的信号是瞬间传递的，这种理想化的电路模型称为集总电路。分布式系统(Distributed System)：实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处，当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比己不能忽略的时侯，整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络，这就是一个典型的分布参数系统。上升/下降时间(Rise/Fall Time)：信号从低电平跳变为高电平所需要的时间，通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间，记为Tr。截止频率(Knee Frequency)：这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围(05/Tr)，记为Fknee。，一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。特征阻抗(Characteristic Impedance)：交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗，也称为浪涌阻抗，记为Zo。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。传输延迟(Propagation delay)：指信号在传输线上的传播延时，与线长和信号传播速度有关，记为tpd微带线(Micro-Strip)：指只有一边存在参考平面的传输线。带状线(Strip-Line)：指两边都有参考平面的传输线。趋肤效应(Skin effect)：指当信号频率提高时，流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近，甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应，现象是电流密集区域集中在导体的内侧。反射(Reflection)：指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收，发射的程度可以有反射系数p表示。过冲/下冲(Over shoot/under shoot)：过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压；对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压，而下冲就是指第二个谷值或峰值。振荡：在一个时钟周期中，反复的出现过冲和下冲，我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃(Ringing)和环绕振荡，振铃为欠阻尼振荡，而环绕振荡为过阻尼振荡。匹配(Ternlination)：指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端，所以也称为端接。串扰：串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰，这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。信号回流(Return current)：指伴随信号传播的返回电流。自屏蔽(Self shielding)：信号在传输线上传播时，靠大电容耦合抑制电场，靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。前向串扰(Forward Crosstalk)：指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰，也称为远端干扰(Far-end crosstalk)。后向串扰(Forward Crosstalk)：指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰，也称为近端干扰(Near-end crosstalk)。屏蔽效率(SE)：是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数，单位为分贝。吸收损耗：吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。反射损耗：反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。校正因子：表示屏蔽效率下降的情况的参数，由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。差模EMI：传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI，就叫做差模EMI。共模EMI：当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候，就会产生共模辐射，既共模EMI。发射带宽：即最高频率发射带宽，当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候，输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量，这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分，而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。电磁环境：存在于给定场所的所有电磁现象的总和。电磁骚扰：任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰：电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。电磁兼容性：设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。系统内干扰：系统中