高速PCB设计中隐藏的10个信号完整性问题

周一, 28 六月 2021 - 14:38

作者：蒋修国，文章来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/7kzZLbSjJ5vcDo-Mq5WQzA">信号完整性</a>

通常说的信号完整性就是指信号无失真的进行传输。前面我们讨论很多信号完整性问题，包括时序、串扰、衰减、反射、电源完整性、EMC等等。

当前的电子产品PCB上或多或少都有一些是高速信号网络。在设计电路和PCB时就要多注意这些信号网络的信号完整性。

对于很多工程师来讲，信号完整性说起来是一句很简单的话，但是很多时候却要了硬件或者PCB设计工程师一条“老命”。本文主要针对PCB设计来讨论，看看在PCB设计时，有哪些点会导致信号完整性问题？

1. PCB材料选择

PCB使用什么样的PCB材料会直接影响到信号完整性。比如PCB材料的介电常数、介质损耗角、铜箔粗糙度、玻纤布等等参数都会影响信号的电气性能。如下是PCB材料的介电常数和介质损耗角随着频率变化的曲线。

PCB材料是基础，所以在设计PCB之前，要选择好合适的PCB材料。

2 层叠设计

层叠设计是PCB设计中很重要的一步。如果层叠设计不合理，会直接导致设计存在天然的信号完整性问题。

比如在设计层叠时，我们通常都是按照厚度选择，而对于相同的材料，也有很多种PP或者Core，那他们的性能并不是相同的，比如电气参数Dk/Df、玻纤规格等。如下是某材料的两种芯板：

虽然它们的厚度是一样的，但它们分别是由1张2116的PP组成和2张1080的PP组成。其Dk和Df并不相同。这样如果在设计层叠结构的随意使用，就会导致信号完整性的问题。同时，1080和2116的玻纤也不一样。

对于高速信号，还要注意玻纤效应的影响。关于玻纤效应，我们在前面的内容中也做过相关的介绍。

3. 传输线的线宽

传输线的线宽是由阻抗决定的，根据总线或者芯片平台的要求，确定好传输线的阻抗；再根据阻抗，在ADS CILD中计算传输线的线宽。

在设计PCB中，工程师都希望传输线的线宽是一致的，这样设计效率是最高的，但是这很难保证，因为很多芯片、连接器这类器件的pitch都可能会比较小，或者引脚的密度很高，就会导致在设计中会把线宽变小。如下图所示：

线宽变化之后就会影响到信号完整性。在设计中要尽量减少这种线宽的变化，或者尽量缩短这种变化线宽的长度，等等。

如果传输线太多，也可以考虑在ADS SIPro中使用RapidScan-Z快速扫描，查找到线宽变化，即阻抗不连续的点。

4. 传输线之间的间距

在PCB设计中，传输线的间距有很多种类型，比如差分对内的间距，不同类型的传输线之间的间距等等。不同的间距要求不同，如果是差分对之间的间距，则不能太近（小），也不能太远（大），由阻抗和设计要求决定。

如果是不同类型传输线的间距，则希望间距尽量远一点，这样相互之间的串扰就会小，但是受限于空间和成本，这类间距也不能无限制的小。下面是随着间距变化，串扰的变化趋势。

5. 传输线的长度

传输线的长度由于产品结构和实际设计决定。在没有特殊要求的情况下，都希望传输线设计的短一点。因为传输线越长，信号的衰减越大，能量损失越大。

如果传输线的长度确实很长，而又不能缩短，这种情况下可以考虑换低损耗的板材或者在链路上使用repeater。

6. 传输线等长

等长这个概念其实是工程师“偷（聪）懒（明）”想出来的。那我们还是沿用这个概念来谈。传输线等长包括差分对内等长，也包括相同类型的传输线组内等长。如果传输线不等长会带来一些信号完整性的问题，包括时序不满足要求、损耗过大或者容易受干扰等等。最简单的方式就通过绕线使差分对不同的两段传输线长度一致。

但是在之前的文章中也有给大家介绍过，实际上这种绕线等长，在电学当中它并不能完全满足设计要求。需要适当的调整，使传输线的延时是一致的才最好。尤其是对于组内等长（DDR总线），要尤其注意等长设计。

90%的工程师都没意识到的高速电路设计问题：等长绕线的影响

7. 跨分割

在PCB设计中，工程师总会在不经意间造成传输线跨分割。对于低速信号可能并不是什么问题，但是对于高速信号而言可能就会引起灾难性的结果。跨分割会引起阻抗不连续、反射、时序以及信号的辐射等等问题。

如下是对比跨分割设计与有完整参考平面设计的眼图结果：

显然，跨分割设计的结果会稍微差一些。在PCB设计中，如果不可避免跨分割设计，应尽量减少跨分割传输线的长度；尤其是当信号速率比较高（比如25Gbps）时，一旦出现跨分割就要谨慎评估，尽量避免跨分割。

8. 拓扑结构

随着电子技术的发展，越来越多的总线都采用点对点的设计，但是有的总线也依然保留着多拓扑结构设计，比如DDR总线，其时钟、地址、控制、命令信号线。如下图所示为DDR5时钟信号的Flyby拓扑结构：

Flyby拓扑结构设计就可能会造成阻抗的不连续，如果要解决这类结构造成的信号完整性问题，就需要做好传输线的阻抗补偿、端接（或者调节ODT）等。

9. 过孔

对于多层板的PCB设计，过孔是不可或缺的。对于传输线而言，过孔往往会造成一些阻抗不连续、损耗变大等信号完整性问题。对于高速信号或者高频信号的传输线过孔设计，就需要优化其过孔的结构，比如钻孔的大小、焊盘、anti-pad、Via Stub等等。

以下是在仿真软件ADS中对比的Via Stub去掉与否的结果对比：

10. 电源系统设计

电源系统的设计是电子产品设计的重中之重，电源系统也是最容易出问题的地方。在越来越复杂的电子系统中，一个电子系统中可能有10多组电源，或者有的更多，如下是之前设计过的一款服务器CPU处的部分电源平面设计：

对于做系统产品的工程师而言，如何设计好电源主要分为两个部分，一个是电源系统的电路设计，一个是电源系统的PCB设计。在设计PCB时需要考虑到电源平面的分布和设计以及滤波电容的分布和摆放。为了更合理的设计好这些电源，尽量在设计之初和设计完成之后进行电源完整性的仿真，尽早发现可能存在的问题。如下是一组电源的直流压降仿真结果：

下图是一组电源PDN阻抗分析结果：

11. 总结

在越来越复杂、越来越高速、越来越紧凑的电子产品设计中，PCB设计的难度越来越高，信号完整性的问题也越来越多，问题也绝不仅限于本文所介绍的这些。不管任何设计，在设计过程中要有好的设计习惯，设计前和设计后尽量使用仿真工具进行仿真分析。

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