PCB科技 - 高速PCB設計指南II：避免混合訊號系統的設計陷阱

摘要：要成功使用當今的SOC, 板-級別和 系統級設計器 必須瞭解如何最佳放置組件, 佈局跟踪, 並使用保護組件.

它們被稱為數位蜂窩電話, 但它們比以前所謂的類比蜂窩電話包含更多的類比功能. 事實上, any 系統 that needs to process continuous state values (such as voice, 形象, 溫度, 壓力, 等.) will have its analog function, 即使名稱中出現數位一詞. 今天的多媒體PC也不例外. 他們有語音和視頻輸入和輸出, 供熱中央處理器的緊急溫度監測, 和高性能數據機. 這些系統也是 混合訊號 功能. 也越來越多.

這兩種制度的趨勢給那些 設計 混合動力車. 可擕式通信和計算設備的體積和重量繼續减少, 但它們的功能繼續新增. 桌面系統繼續提高中央處理器的容量和通信周邊設備的速度. 當然, 很難 設計 現代數位電路 板s同時避免響鈴, 雜訊引起的誤差, 和地電位反彈. 然而, 當您將易受雜訊影響的類比信號線添加到方波激勵數位數據線附近時, 問題變得更加嚴重.

在晶片級，當前的SOC（片上系統）需要邏輯電路、類比電路和熱力學設計方面的專業知識。 為了成功使用這些IC，板級和系統級設計師需要瞭解如何最佳放置組件、佈線跡線和使用保護組件。

本文描述了當前混合訊號系統設計中的常見缺陷，並提供了一些清除或消除這些缺陷的指南。 然而，在討論具體問題和提出建議之前，詳細瞭解系統設計小型化和高速化這兩種趨勢對這些問題的影響將大有裨益。

1、“高速”趨勢

與五年前相比，1999年的中檔PC的規格，其中央處理器速度新增了約一個數量級，CPU消耗的電流也新增了約一個數量級。 當你把高速和大電流結合起來時，V=L（di/dt）關係中的“di/dt”部分得到了極大的改善。 事實上，電路板中半英寸長的地線可能會在其上感應超過1伏的電壓。 對於轉換器，地電位參攷線將感應電壓，這可能導致操作停止。

為了實現這些更高的速度，IC採用深亞微米尺寸（例如，0.35mm）進行設計和製造。 雖然這减小了幾何尺寸並導致更快的效能，但也使這些設備更容易因瞬態而導致閉鎖和損壞。 此外，這些設備還需要更嚴格的能源管理，以符合日益嚴格的允許電壓範圍。

當前的10/100以太網網卡（NIC）就是一個很好的例子。 最初的10Base-T晶片是一種大尺寸CMOS器件，對過電壓損壞相對不敏感。 然而，新晶片使用的線寬為0.35mm，對因電能和閃電引起的瞬變引起的鎖定和故障非常敏感。

具有SMP（對稱多處理能力）體系結構的現代服務器和以500MHz或更高頻率運行的CPU是能量分配挑戰的好例子。 您不能簡單地構建一個5V電源並將佈線佈線到相應的匯流排。 在500MHz下切換電流高達20A或30A時，實際上每個使用點都需要一個獨立的轉換器，再加上一個更大的初級電壓源為所有這些轉換器供電。

這種趨勢需要熱插拔功能，這意味著您需要能够在當前系統中插入或移除電路板。 這也是為了預測會有瞬變。 這樣，插入的主機板和主機板都必須有適當的保護。

小型化和高速化趨勢都有其獨特的問題。 例如，對於小型、可擕式和手持設備來說，大電流能量分配不是一個大問題。 對於臺式電腦和服務器，延長電池壽命不會成為問題。 然而，鎖定和瞬態造成的損壞在這兩個領域都成為一個問題。

2、“小型化”趨勢

將1999年的手機與五年前的產品進行比較, 晶片的數量要小得多, 重量和體積大大减少, 電池壽命大大延長. 在此過程中, 主要因素是 混合訊號 IC解決方案. 然而, 隨著切屑幾何形狀的减少, 電路上接線的間距 板 越來越近了, 物理定律開始出現.

平行跡線越來越近，產生越來越大的寄生電容耦合，這只是距離平方成反比的結果。 過去只有少量的空間痕迹，現在包含了許多痕迹。 囙此，即使非相鄰記錄道之間的電容耦合也會造成問題。

手機，由其性質决定，是人們持有和使用的設備。 在低溫天，你在地毯上走來走去，然後拿起手機，然後“砰”的一聲，這會向設備發送一個高壓靜電放電（ESD）脈衝。 如果沒有適當的ESD保護，可能會損壞一個或多個IC。 然而，添加外部組件以防止ESD損壞將不利於小型化的趨勢。

另一個問題是能源管理。 手機用戶希望電池的兩次充電間隔越長越好。 這意味著DC-DC轉換器必須非常高效。 開關科技是它的答案，但在這種情況下，轉換器也成為了自己潜在的雜訊源。 囙此，必須仔細選擇、放置和互連轉換器。 此外，由於體積是一個不容忽視的因素，囙此應選擇能够使用最小物理尺寸無源元件的元件類型。 如果使用線性穩壓器，則應選擇超低壓差型穩壓器，以將輸出保持在最小電池電壓。 這使得電池在不再提供足够的電力之前盡可能多地放電。

鎖定和瞬態

從線寬到深亞微米IC的瞬態會惡化對過電壓條件的敏感性，這意味著您必須更聰明地保護這些設備，而不影響其效能。

在保護輸入中，任何保護元件在正常運行時都必須顯示為高阻抗電路。 例如，如果要給正常輸入信號新增一點影響，則必須用盡可能最小的電容性負載加載。 然而，在過壓時刻，同一裝置必須成為瞬態能量的主要通道，使其遠離受保護裝置的輸入。 此外，保護裝置的耐受電壓應高於其保護引脚上的最大允許電壓。 同樣，其箝比特電壓應足够低，以防止損壞受保護的設備。 這是因為在瞬態條件下，輸入端上的電壓將是保護裝置的箝比特電壓。

以前，瞬態電壓抑制（TVS）二極體有效地將瞬態鉗制在印刷電路板上。 傳統（TVS）二極體是固態PN結器件，工作電壓低至5V。 它們具有回應時間快、箝比特電壓低、電流浪湧能力强等所有所需特性。 然而，傳統TVS二極體的問題是，如果低於5V，它會抬起頭。 在這裡，他們使用的雪崩科技是一個障礙。 為了使隔離電壓低於5V，需要高摻雜度（1018/cm-3或更高）。 這反過來會導致更高的電容和洩漏電流，這兩者都會損害高性能。 傳統的TVS二極體具有與電壓相關的電容，電容隨電壓的降低而增大。 例如，在5V時，典型的ESD保護二極體的結電容為400pF。 我們可以想像，如果將這種電容性負載應用於100Base TEth呃net發射機或接收機的輸入節點，或應用於通用序列匯流排（USB）輸入，將會發生什麼。 此外，這些正是最需要瞬態保護的電路類型。

在電壓低於5V的情况下，傳統的TVS二極體實際上不是一種選擇。 但這並不意味著你別無選擇。 加州大學伯克利分校（University of California，Berkeley）和Semtech（加利福尼亞州紐伯裏帕克）聯合開發的一項新技術可提供低至2.8伏工作電壓的瞬態和ESD保護。 您可以從一系列TV設備中選擇一種，具有合適的電容、隔離電壓和箝比特電壓，以滿足您自己系統的要求。 之後，我們還必須考慮設備應放置在板上的位置以及如何連接電路板。

保護路徑中的寄生電感會導致高電壓過沖並損壞IC。 對於快速上升時間瞬態，如ESD，尤其如此。 根據IEC1000-4-2的定義，ESD引起的瞬態將在不到1納秒（ns）的時間內達到峰值。 根據20nH/英寸的記錄道電感計算，10A脈衝的四條1英寸記錄道將導致50V的超調。

您必須考慮所有可能的感應路徑，包括接地回路、TV和保護電路之間的路徑以及從連接器到TV設備的路徑。 此外，電視設備應盡可能靠近連接器，以便將瞬態耦合到附近的其他記錄道。

10/100乙太網板是需要瞬態保護的子系統。 乙太網交換機和路由器中使用的設備會受到高能雷電感應瞬態的影響。 所使用的深度亞微米IC在設計中對過電壓鎖定極為敏感。 在典型系統中，每個埠使用的雙絞線介面由兩個不同的訊號對組成，一對用於發射機，另一對用於接收機。 變送器輸入通常最容易損壞。 線對中會有不同的致命放電，它將通過變壓器電容耦合到乙太體。

在訊號頻率很高（100Mbit/s）且電源電壓很低（通常為3.3V）的情况下，保護裝置必須具有非常低的電容性負載，其隔離電壓遠低於5V。 另一種情况是，保護路徑中的寄生電感會導致較大的電壓過沖。 為了最大限度地提高效率，電路板的佈線應確保保護器和受保護電路之間的路徑必須最小化，RJ45連接器和保護器之間的路徑長度也必須最小化。

4、熱交換/隨插即用

越來越多的系統設計為允許在系統仍通電的情况下隨時插入和拔出插板或插頭。 這些挿件板或插頭將插入或從承載訊號、電源線和地線的插座上拔下，發生瞬變的可能性很大。 此外，系統可以動態調整其電源，以適應電流負載的突然新增或减少。

在充電過程中，手機或其他可擕式電子設備意外插入或拔出自充電系統。 這也會產生瞬態。 這裡，除了瞬態保護外，還需要能量管理來適應電流負載的突然新增或减少。

USB介面旨在改進桌面系統和周邊設備之間的高速序列介面。 此外，UB介面上還有一條電源線，可用於向連接的周邊設備供電。 如果沒有負載插入USB插座，則它是一個打開的插座。 插座上人體靜電感應的ESD脈衝放電會傳導到電路板上，容易損壞USB控制器。

您必須確保在這種高速匯流排中，數據線和電源線都受到保護。 此外，雖然能量管理已寫入USB規範，但尚未提供ESD保護。

TVS設備可用於提供適當的ESD保護。 組件的放置和路徑的長度仍然是重要的設計問題。 應仔細查閱相同的佈局指南。 確保TVS和受保護線路之間的路徑縮短，並確保TVS設備盡可能靠近埠連接器。

根據USB規範的需要，應使用固態電路能量分配開關進行能量管理。 在PC主機中，它們為控制器IC提供短路電流保護和錯誤報告。 在USB周邊設備中，它們用於埠切換、錯誤報告和電源電壓緩降控制。

5、能量分配

如果你將當前PC數量的變化與10年前相比，其增長幅度確實令人驚訝。 加上時鐘頻率的大幅增加，PC和服務器處於非常高的di/dt環境中。 例如，如果L為2.5mH，C等於4*1500mF，則負載上的瞬態為200mV峰間瞬態，恢復時間為50微秒。 使問題更加複雜的是，CPU進入睡眠模式，然後快速喚醒。 產生的瞬態在每微秒20到30A之間，這成為能源管理的一個難題。

從變換器的角度來看，di/dt的值影響輸出電容器的選擇，更具體地說，影響電容器的等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。 在低頻運行的轉換器需要一個大電容來存儲兩個工作週期之間的電荷，這需要使用電解電容器。 雖然這些電解電容器具有較大的電容，但它們也具有較大的ESR和ESL，這兩者都違背了設計者的意圖。 此外，電解電容器尺寸較大，不適合採用表面貼裝科技和緊湊封裝。

有另一種方法可以降低ESR和ESL的價值，簡化生產過程，並减少實際體積。 方法是使用稍高一點的變頻器，可以選擇陶瓷電容器代替電解電容器，並獲得以上優點。 同時，通過採用多相變流器的解決方案，您甚至可以共亯負載需求。 每個轉換器需要較少的輸入電容，同時提供相同的總電流容量。 另一個優點是减少了輸入紋波電流。 在單相轉換方案中，輸入紋波電流等於輸出紋波電流的一半。 囙此，對於20A系統，輸入紋波電流為10A。 然而，例如，對於四相變流器解決方案，該輸出電流將在四個變流器之間平均分配。 現在每個電源為5A，其輸入紋波電流為2A。 這允許使用更小、更便宜的輸入電容器。

DellComputers（德克薩斯州圓岩市）為其高速電腦和服務器系列開發了一種離散、多相脈寬調製（PWM）控制器和反向DC-DC轉換器。 它的設計是為了滿足英特爾先進奔騰CPU對電源/能量管理的迫切需求。 此後，Semtech應戴爾的要求對該電路進行了集成。 多相控制器和轉換器解决後，您必須特別注意電路板的佈線問題。 高頻大電流開關會影響接地層的電壓差。

電路的高電流部分應首先佈線。 您應該使用地平面，或者引入隔離或半隔離地平面區域，以限制接地電流進入特定區域。 由輸入電容器和高側和低側驅動器輸出FET組成的回路包含所有大電流、快速瞬態開關。 連接應寬或寬，短或短，以减少回路電感。 這樣做將减少電磁干擾（EMI），减少注入地面的電流，並將源振鈴降至最低，以獲得更可靠的門電路開關訊號。

兩個FET的結和輸出電感器之間的連接應為寬軌道，同時盡可能短。 輸出電容器應盡可能靠近負載。 快速瞬態負載電流由該電容器提供，囙此連接線應寬而短，以最小化電感和電阻。

控制器最好放置在安靜的地平面區域，以防止輸入電容器和FET回路中的脈衝電流流入該區域。 高接地和低接地參攷引脚應返回至離控制放大器組件非常近的接地。 小訊號類比接地和數位接地應連接至其中一個輸出電容器的接地。 切勿在輸入電容器/場效應電晶體回路內返回接地。 電流感應電阻回路應盡可能短。

6、精明工作

儘管上述示例說明了一些可以預測和避免某些陷阱的方法 混合訊號 系統, 它們絕非詳盡無遺. 每個系統都有自己的挑戰, 以及每個 設計er有自己獨特的障礙需要跨越. 無論是處理更困難的保護還是更嚴格的能源管理, 首先要選擇正確的組件. 在挑戰轉換器方面, 變頻器控制器和TV保護裝置, 有多種選擇. 將它們放置在電路的正確位置 板 將顯示能源管理和保護方面的差异. Well-thought-out wiring and ground plane configuration are the key 問題 in the third aspect. 低壓電路用電視

當電壓低於5V時，傳統的PN結TV實際上根本不工作。 然而，加州大學伯克利分校和Semtech開發了一種增强型穿通二極體（EPD）。

與傳統的雪崩TVS二極體PN結構不同，該EPD器件採用更複雜的n+p+p-n+4層結構。 它在p+和p層中使用光摻雜來防止反向偏置的n+p+結進入雪崩狀態。

由於npn具有更高的電子遷移率和更好的箝比特特性，囙此選擇了npn結構代替pnp結構。 通過精心製作P基極區，得到的器件在2.8V至3.3V的電壓範圍內具有優异的漏電、箝比特和電容特性。

7、胃口大的奔騰

英特爾奔騰II規範要求電流在500ns內從5A新增到20A，轉換率為30A/微秒。 Semiteck SC1144多相PWM控制器的效能超過了任務要求。 它提供多達四個反向DC-DC轉換器的控制，以獲得所需的速度和精度。 內寘5比特DAC允許輸出電壓程式設計輸出，50mV增量為1.8至2.05V，100mV增量為20至3.5V。

這 multiphase 科技 產生由90度相移分隔的四個精確輸出電壓. 然後, 將四個數位移相輸出相加，以獲得所需的輸出電壓和電流容量.

由於每個轉換器的工作頻率為2MHz，設計師可以使用陶瓷電容器代替電解電容器，並且可以獲得體積小、表面貼裝性好、ESR和ESL較低的優點。