PCB部落格 - 高速DSP系統PCB板的可靠性設計

高速DSP系統的特點 PCB電路板 以及可靠性設計中應注意的幾個問題, 包括電源設計, 軟硬體抗干擾設計, 電磁相容性設計, 散熱設計, 以及高速電路重要訊號線的佈線方法, 使每種設計更高效. 合理且易於實施. 由於微電子技術的飛速發展, 由集成電路晶片組成的數位電子系統正朝著大規模方向快速發展, 小體積, 和高速, 發展速度越來越快. 在現代EDA設計中，新器件的應用導致了高電路佈局密度, 訊號的頻率也很高. 使用高速設備, 這個re will be more and more high-speed DSP (digital signal processing) system designs. 在以不斷增加的系統資料速率為特徵的設計中，訊號問題成為一個重要問題, 時鐘頻率, 和電路密度, 其PCB的設計表現出與低速設計特徵非常不同的行為, 那就是, 信號完整性問題, 干擾加劇問題, 電磁相容性問題, 等等. 這些問題可能導致或直接導致訊號失真, 定時誤差, 數據不正確, 住址, 和控制線, 系統錯誤，甚至系統崩潰. 如果未正確解决, 它們將嚴重影響系統性能並帶來不可估量的損失. 這些問題的解决主要取決於電路設計. 因此, 設計質量 PCB板 是非常重要的, 這是將設計理念變為現實的唯一途徑. 下麵討論了在測試中應注意的幾個問題 PCB板 高速DSP系統的可靠性設計.

電源設計

設計高速DSP系統時要考慮的第一件事 PCB板是電源設計嗎. 電源設計中, 以下方法通常用於解决信號完整性問題.

考慮電源和接地去耦

隨著DSP工作頻率的新增，DSP和其他集成電路組件趨向於小型化和密集封裝。 通常，電路設計中會考慮多層板。 建議電源和接地均使用專用層。 例如，DSP的輸入/輸出電源電壓與覈心電源電壓不同，囙此可以使用兩個不同的電源層。 如果考慮到多層板的高處理成本，可以使用特殊層用於具有更多佈線或相對關鍵電源的電源，也可以使用其他電源層。 電源的佈線管道可以與訊號線相同，但要注意線路的寬度。 無論電路板是否具有特殊的接地層和電源層，都必須在電源和接地之間添加一定且分佈合理的電容。 為了節省空間和减少通孔的數量，建議使用更多的片式電容器。 晶片電容器可以放置在PCB板的背面，即焊接表面。 晶片電容器通過寬導線連接到孔，並通過孔連接到電源和接地層。

考慮配電的佈線規則

獨立的類比和數位功率平面：高速、高精度類比組件對數位信號敏感。 例如，放大器將放大開關雜訊，使其接近脈衝訊號，囙此在電路板的類比和數位部分中，通常需要分離功率平面。

敏感訊號的隔離：一些敏感訊號（如高頻時鐘）對雜訊干擾特別敏感，應採取高級隔離措施。 高頻時鐘（高於20MHz的時鐘或翻轉時間小於5ns的時鐘）必須由地線護送。 時鐘線的寬度至少為10密耳，護送地線的寬度至少為20密耳。 孔與地層接觸良好，每隔5cm做一個通孔與地層連接； 必須在時鐘發送側串聯22Ω至220Ω的阻尼電阻器。 可以避免由這些線路引入的訊號雜訊引起的干擾。

軟硬體抗干擾設計：高速DSP應用系統的PCB板一般由用戶根據系統的具體要求進行設計。 由於設計能力和實驗室條件的限制，如果不採取完整可靠的抗干擾措施，不理想的工作環境和電磁干擾將導致DSP程式流程混亂。 當DSP的正常工作程式碼無法恢復時，程式會跑掉或崩潰，甚至會損壞某些組件。 應注意採取相應的抗干擾措施。

硬體抗干擾設計：硬體抗干擾效率高。 當系統複雜度、成本和體積可以容忍時，首選硬體抗干擾設計。 常用的硬體抗干擾科技可以總結如下：

（1）硬體濾波：RC濾波器可以大大削弱各種高頻干擾訊號。 例如可以抑制“小故障”干擾。

（2）合理接地：合理設計接地系統。 對於高速數位和類比電路系統，具有低阻抗、大面積接地層非常重要。 接地層不僅可以為高頻電流提供低阻抗返回路徑，還可以使EMI和RFI更小，並且對外部干擾具有遮罩作用。 在設計PCB板時，分離類比地和數位地。

（3）遮罩措施：交流電源、高頻電源、強電設備產生的火花和電弧會產生電磁波，成為電磁干擾的雜訊源。 上述設備可以由金屬外殼包圍，然後接地。 電磁感應引起的干擾非常有效。

（4）光隔離：光隔離器可以有效避免不同電路板之間的相互干擾。 高速光隔離器通常用於DSP和其他設備（如感測器、開關等）的介面。

軟件抗干擾設計：軟件抗干擾具有硬體抗干擾無法替代的優點。 在DSP應用系統中，應充分發揮軟件的抗干擾能力，以抑制干擾的影響。 下麵給出了幾種有效的軟件抗干擾方法。

（1）數位濾波：類比輸入信號的雜訊可以通過數位濾波消除。 常用的數位濾波科技包括中值濾波、算術平均濾波等。

（2）設定陷阱：在未使用的程式區域設置引導程式。 當程式受到干擾並跳轉到此區域時，引導程式將引導強制捕獲的程式到指定的地址，其中將使用一個特殊程式來糾正錯誤的程式。 待處理。

（3）指令冗餘：在雙位元組指令和3位元組指令之後插入兩個或3個位元組的無操作指令NOP，這可以防止當DSP系統受到程式干擾時，程式自動進入正確的軌道。

（4）設定看門狗計時：如果失控程式進入“無限迴圈”，通常使用“看門狗”科技使程式退出“無限迴圈”。 原理是使用計時器，根據設定的週期生成脈衝。 如果不想產生該脈衝，DSP應在小於設定週期的時間內清除計時器； 但當DSP程式運行時，它將不會被使用。 計时器將按照規定清除，囙此計时器產生的脈衝用作DSP重置訊號，以再次重置和初始化DSP。

電磁相容性設計：電磁相容性是指電子設備在複雜電磁環境中正常工作的能力。 電磁相容設計的目的是使電子設備在抑制各種外部干擾的同時，减少電子設備對其他電子設備的電磁干擾。 在實際PCB板中，相鄰訊號之間或多或少存在電磁干擾，即串擾。 串擾的大小與環路之間的分佈電容和分佈電感有關。 可以採取以下措施來解决此類訊號之間的相互電磁干擾：

選擇合理的導線寬度：瞬態電流對印刷導線造成的衝擊干擾主要由印刷導線的電感分量引起，其電感與印刷導線的長度成正比，與寬度成反比。 囙此，使用短而寬的導線來抑制干擾是有益的。 匯流排驅動器的時鐘引線和訊號線通常具有較大的瞬態電流，其印刷導線應盡可能短。 對於分立元件電路，印製線的寬度可以滿足1.5mm左右的要求； 對於集成電路，印刷導線的寬度選擇在0.2mm和1.0mm之間。 採用網格狀佈線結構。 具體方法是在PCB的第一層印刷電路板上水准佈線，然後垂直佈線下一層。

散熱設計：為了便於散熱, 印製板獨立安裝, 板間距應大於2cm. 同時, 注意印製板上元件的排列規則. 在水平方向上, 大功率器件盡可能靠近印製板邊緣, 從而縮短傳熱路徑； 在垂直方向上, 大功率設備盡可能靠近印製板頂部, 從而减少其對其他部件溫度的影響. 對溫度更敏感的部件應盡可能放置在溫度相對較低的區域, 並且不能直接放置在高發熱量的設備上方. 在高速DSP應用系統的設計中, 如何將完美的設計從理論轉化為現實取決於高品質的設計 PCB板. DSP電路的工作頻率越來越高, 引脚越來越密集，干擾越來越大. , 如何提高訊號質量非常重要. 因此, 系統的效能是否良好與設計者的貭素密不可分 PCB板.