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怎样设计出好的板子?PCB工程师必须要掌握这7个设计理念 [复制链接]

板儿妹0517 (离线)
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发表于 2019-7-29 10:05:22 |显示全部楼层
关键词: pcb设计
PCB设计是一种逼格,也是一种艺术。虽然大部分工程师画出来的板子都能用,但性能却各不相同。那如何才能设计出好的板子呢?作为一名优秀的PCB设计工程师,你必须要掌握下面这些设计理念。

信号完整性(SI)

信号完整性(英语:Signal integrity,SI)是指信号在传输路径上的质量,传输路径可以是普通的金属线,可以是光学器件,也可以是其他媒质。在短距离、低比特率的情况里,一个简单的导体可以忠实地传输信号。而长距离、高比特率的信号如果通过几种不同的导体,多种效应可以降低信号的可信度,这样系统或设备不能正常工作。

随着集成电路输出开关速度提高以及PCB板密度增加,信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素,都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不工作。

信号完整性需要考虑的问题主要有振铃(ringing)、串扰(crosstalk)、接地反弹、扭曲(skew)、信号损失和电源供应中的噪音。

电源完整性(PI)

电源完整性(Power integrity)简称PI,是确认电源来源及目的端的电压电流是否符合需求。电源完整性在现今的电子产品中相当重要。有几个有关电源完整性的层面:芯片层面、芯片封装层面、电路板层面及系统层面。其中,在电路板层面的电源完整性要达到以下三个需求:

√ 使芯片引脚的电压涟波比规格要小一些(例如电压和1V之间的误差小于+/-50 mV)

√ 控制接地反弹(也称为同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO)

√ 降低电磁干扰(EMI)并且维持电磁兼容性(EMC):电源分布网络(PDN)是电路板上最大型的导体,因此也是最容易发射及接收噪声的天线。

时序完整性(Timing integrity)

时序问题

系统中数据的提取通常是由时钟信号的上升沿或下降沿触发,按照一定的节拍进行,数据应该及时到达接收端并进入稳态。数据的超时延时和数据的信号畸变都会造成数据的读取错误。接收端信号由于出现严重的振铃现象,部分进入非稳定状态,会使数据不能被可靠地提取,造成误码问题。

时序分析基本概念

传输时间: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。

飞行时间(Flight Time):指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的电平之间的延时,和传输延迟和上升时间有关。

Tco:指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和。

建立时间:指的是接收端能够正确地锁存数据,在时钟边沿来导之前应该保持稳定的最小时间,它表示数据有效必须先于时钟有效的最小时间。

保持时间:为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。

时钟抖动(Jitter):时钟抖动是指时钟触发沿的随机误差,时钟抖动通常指时钟周期在周期与周期之间的变化。这个误差是由时钟发生器内部产生的,和后期布线没有关系。

时钟偏移(Skew):是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。

采样窗口:指我们通过示波器观察到的信号的波形。

电磁兼容性(EMC)

电磁兼容性(EMC,即Electromagnetic Compatibility)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁骚扰(Electromagnetic Disturbance)不能超过一定的限值;另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility,即EMS)。

可测试性(DFT)

产品设计的可测试性(De sign For Testability. OFT) 也是产品可制造性的主要内容从生产角度考虑也是设计的工艺性之一。它是指在设计时考虑产品性能能够检测的难易程度,也就是说设计产品时应考虑如何以最简单的方法对产品的性能和加工质量进行检测,或者产品的设计尽量能使产品容易按规定的方法对其性能和质量进行检测。尤其是电子产品的设计,对产品的性能测试是必不可少的。DFT 好的产品设计,可以简化生产过程中检验和产品最终检测的准备工作,提高测试效率、减少测试费用,并且容易发现产品的缺陷和故障,进而保证产品的质量稳定性和可靠性。

可制造性(DFM)

产品的可制造性从广义上讲,包括了产品的制造、测试、返工、维修等产品形成全过程的可行性。狭义上讲就是指产品制造的可行性。

针对PCB可制造性设计可以从以下两个方面考虑:

1. PCB的可制造性(DFM= Design for Manufacture)

2. PCB的贴装和组装的可制造性。(DFA= Designfor Assembly)

可制造性设计(DFM)是保证PCB设计质量的最有效的方法。DFM就是从产品开发设计时起,就考虑到可制造性和可测试性,使设计和制造之间紧密联系,实现从设计到制造一次成功的目的。

DFM具有缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点,是企业产品取得成功的途径。

可靠性(Reliability)

可靠性,英文为Reliability,从字面意思很容易理解,我们一般说“可靠的”,是指“可信赖的”,可靠性即可靠的性质和程度,就是指产品在使用时用户是否可以信赖它,它可以正常、准确、稳定地发挥其功能和性能的能力和程度有多高。

集成电路的可靠性可以分为可靠性设计、可靠性测试,都已经积累了很丰富的经验和技术规范。

在PCB设计工作中,我们需要掌握这些正确的设计理念,然后将它们正确的应用到工程设计中去,转化成真正的产品。

(图文整理自网络)

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