电磁兼容与高速PCB设计
Hyperlynx
HyperLynx ：工程化的高速PCB 信号完整性与电磁兼容性分析环境概述电子工程师们越来越深刻地体会到：即使电路板（PCB ）上的信号在低至几十兆的频率范围内工作，也会受到开关速度在纳秒（ns ）级的高速芯片的影响而产生大量的信号完整性（SI ）与电磁兼容性（EMC ）问题。
一个优秀的电路设计，往往因为PCB 布局布线时某些高速信号处理不当而造成严重的过冲/下冲、延时、串扰及辐射等问题，最终导致产品设计的失败。
Mentor Graphics 公司的HyperLynx 软件是 业界应用最为普遍的高速PCB 仿真工具。
它包含前仿真环境（LineSim ），后仿真环境（BoardSim ） 及多板分析功能，可以帮助设计者对电路板上频率低至几十兆赫兹，高达千兆赫兹（GHz）以上的网络进行信号完整性与电磁兼容性仿真分析，消除设 计隐患，提高设计一版成功率。
操作简洁、功能齐全的信号完整性与电磁兼容性分析环境对于大多数工程师而言，信号完整性与电磁兼容性分析仅仅是产品设计流程中的一个环节，在此环节采用的工具必须与整个流程中的其他工具相兼容，且要保证工程师能快速掌握工具，并将其应用于实际的设计工作。
否则，性能再好的软件也很难在工程实践中得到广泛应用。
HyperLynx 兼容Mentor/Cadence/Zuken/Protel 等所有格式的PCB 设计文件。
为高速PCB 仿真提供了简便易学的操作流程，就像实验室里的数字示波器与频谱分析仪；原理图工程师、PCB 工程师，或信号完整性工程师经过短期的培训，即可使用HyperLynx 解决各自工作中的问题，从设计初期的网络拓扑结构规划、阻抗设计、高速规则定义与优化，直到最产品特点◆工程化的高速PCB 信号完整性与电磁兼容性仿真工具，操作简便，易于掌握◆ 支持所有PCB 环境下的设计文件 ◆ 支持PCB 前仿真/后仿真分析 ◆支持PCB 叠层结构、物理参数的提取与设定◆ 支持各种传输线的阻抗规划与计算 ◆支持反射、串扰、损耗、过孔效应及电磁兼容性分析◆通过匹配向导为高速网络提供串行、并行及差分匹配等方案◆支持多板分析，可对板间传输的信号进行反射、串扰及损耗分析◆提供DDR/DDRII/USB/SA TA/ PCIX 等多种Design Kit终的板级验证等工作均可在HyperLynx中完成，可以有效地避免过度设计与设计反复。
详述高速PCB设计中的电磁兼容性问题
详述高速PCB设计中的电磁兼容性问题近年来，随着电子技术的快速发展，高速PCB设计在通信、计算机、汽车电子等众多领域中扮演着重要的角色。
然而，在高速PCB设计中，电磁兼容性问题却是一个令人头疼的挑战。
本文将详述高速PCB设计中的电磁兼容性问题，并提出一些解决方案。
一、高速PCB设计中的电磁兼容性问题概述在高速PCB设计中，由于信号的频率较高，电流和信号的变化速度较快，会产生较强的电磁场。
这些电磁场可能会干扰其他电路或设备，导致系统性能下降，甚至造成严重的故障。
因此，电磁兼容性问题是高速PCB设计中需要高度关注的一个方面。
二、高速PCB设计中常见的电磁兼容性问题1. 串扰问题：在高速PCB设计中，由于信号线之间的距离较近，会导致信号间的串扰。
当一个信号线发生变化时，其周围的信号线可能会受到影响，造成误码率的增加。
2. 辐射问题：高速PCB上的信号线和电源线会辐射电磁波，可能对附近的其他电路或设备产生干扰。
特别是当信号线长度接近或超过信号波长的一半时，辐射问题会更加严重。
3. 地线问题：在高速PCB设计中，地线的布局和连接方式对电磁兼容性有重要影响。
如果地线布局不合理，可能会导致电流回路不畅通，进而产生电磁辐射或引入地回路噪声。
4. 电源噪声问题：在高速PCB设计中，电源噪声的干扰会对信号质量产生很大影响。
电源线上的纹波噪声、开关噪声和共模噪声等都可能引起系统性能下降。
三、解决高速PCB设计中电磁兼容性问题的方法1. 合理的布局设计：合理布局是解决电磁兼容性问题的关键。
应该将敏感信号线和噪声源分隔开，并保持足够的距离。
同时，应确保地线的布局合理，避免信号回流路径过长。
2. 控制信号线长度和层间引线数：信号线长度应控制在信号波长的1/10以内，避免产生较大的辐射问题。
同时，层间引线数也应合理控制，减少层间串扰的可能性。
3. 优化电源和地线布局：电源线和地线应尽量平行布局，减小回流路径的面积。
此外，应采用直线连接方式，减少电流环路的面积，降低电磁辐射问题。
高速PCB电磁兼容的研究
可 能 有 较 高 的 电 压 ， 应 加 大 他 们 之 间 的 距 离 ， 免 放 电 引 出 意 外 以
短 路 。
计 已 成 为 高 速 ＰＣ 设 计 中 急 待 解 Ｂ 决 的技 术难 题 。
（ ２）某 些 元 器 件 或 导 线 之 间
系 到 电 子 设 备 质 量 的 好 坏 。 随 着 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 电 子 产 品 越 来 越 趋 向 高 速 ， 高 灵 敏 度 ， 高 密 度 ， 这 种 趋 势 导 致 了 Ｐ ＣＢ电 路 板 设 计 中 的 电 磁 兼 容 （ ＭＣ 和 电 Ｅ ）
线之 间容 易 发生 串扰 ， 且散 热性 而
（ ）综 合 考 虑 各 元 件 之 间 的 ６ 分 布 参 数 。 尽 可 能 使 元 器 件 平 行 排 列 ， 这 样 不 仅 有 利 于 增 强 抗 干
扰 能 力 ， 而 且 外 观 美 观 ， 易 于 批
量生 产 。
能 不 好 。 确 定 Ｐ Ｂ 寸 之 后 ， 就 可 Ｃ 尺 以 根 据 电 路 的 功 能 模 块 ｘ－ 部 器 ，全 ｊ 件 进 行 布 局 。 高 速 Ｐ Ｂ 布 局 通 常 Ｃ 的
和 传 输 线 的 设 计 几 个 方 面 分 析 研 究 了 改 善 高 速 Ｐ Ｂ Ｍ 性 能 的 方 法 ， 并 介 绍 了 其 它 的 一 些 抗 Ｃ Ｅ Ｃ
电磁干扰 技术 。
关 键 词 ： 磁 兼 容 ； 速 Ｐ Ｂ 电 磁 干 扰 电 高 Ｃ； 中 图 分 类 号 ：Ｎ ０ Ｔ７ １ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ３ ０ ０ （０ ７ ０ － ０ ２ ０ １０－１ ７２ ０）Ｂ ０９－ ３
ＣＬＣ ｕｍ ｈｅｒＴＮ７ ｉ ｔ ＝ ０１
高频pcb设计需要注意的事项
高频pcb设计需要注意的事项高频PCB设计是一项复杂的工程，需要考虑许多因素，以下是需要注意的事项：1. 材料选择，对于高频PCB设计，选择合适的基板材料非常重要。
常见的高频材料包括FR-4、PTFE（聚四氟乙烯）和Rogers等。
这些材料具有较低的介电常数和损耗 tangent，能够减小信号传输的衰减和失真。
2. 版图设计，在高频PCB设计中，版图设计需要特别注意。
布局应该尽量减小信号路径的长度，减少信号的传输时间。
同时，还要避免信号线和电源线之间的干扰，采用合适的层间堆叠方式。
3. 地线设计，良好的地线设计对于高频PCB至关重要。
要尽量减小地线的回流路径，减小地线的环路感。
同时，要避免地线与信号线之间的串扰。
4. 阻抗匹配，在高频PCB设计中，要保证信号线的阻抗匹配。
采用合适的线宽和间距，以及合适的层间堆叠方式，来保证信号的阻抗匹配。
5. 电磁兼容性（EMC），高频PCB设计需要考虑电磁兼容性，要尽量减小电磁辐射和敏感度，采用合适的屏蔽措施和滤波器。
6. 热管理，高频电路在工作时会产生较多的热量，因此热管理也是需要考虑的因素。
要合理布局散热器和散热孔，确保电路工作稳定。
7. 仿真验证，在设计高频PCB之前，进行仿真验证是非常重要的。
可以利用仿真软件对信号完整性、阻抗匹配、电磁兼容性等进行验证，发现问题并进行调整。
总的来说，高频PCB设计需要综合考虑材料选择、版图设计、地线设计、阻抗匹配、EMC、热管理和仿真验证等多个方面的因素，以确保高频电路的稳定性和可靠性。
希望以上信息对你有所帮助。
高速数字电路的信号完整性与电磁兼容性设计
引言从IC芯片的发展及封装形式来看，芯片体积越来越小、引脚数越来越多；同时，由于近年来IC工艺的发展，使得其速度也越来越高。
这就带来了一个问题，即电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率还在提高，从而使得如何处理高速信号问题成为一个设计能否成功的关键因素。
随着电子系统中逻辑复杂度和时钟频率的迅速提高，信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响也越发重要。
对于低频设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑，但当频率超过50 MHz时，互连关系必须考虑，而在*定系统性能时还必须考虑印刷电路板板材的电参数。
因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性(Signal Integrity，SI)问题。
当硬件工作频率增高后，每一根布线网络上的传输线都可能成为发射天线，对其他电子设备产生电磁辐射或与其他设备相互干扰，从而使硬件时序逻辑产生混乱。
电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)的标准提出了解决硬件实际布线网络可能产生的电磁辐射干扰以及本身抵抗外部电磁干扰的基本要求。
1 高速数字电路设计的几个基本概念在高速数字电路中，由于串扰、反射、过冲、振荡、地弹、偏移等信号完整性问题，本来在低速电路中无需考虑的因素在这里就显得格外重要；另外，随着现有电气系统耦合结构越来越复杂，电磁兼容性也变成了一个不能不考虑的问题。
要解决高速电路设计的问题，首先需要真正明白高速信号的概念。
高速不是就频率的高低来说的，而是由信号的边沿速度决定的，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号。
即使在工作频率不高的系统中，也会出现信号完整性的问题。
这是由于随着集成电路工艺的提高，所用器件I／O端口的信号边沿比以前更陡更快，因此在工作时钟不高的情况下也属于高速器件，随之带来了信号完整性的种种问题。
2 高速数字电路设计的基本要求在PCB设计中，电磁兼容性的分析也离不开布线网络本身的信号完整性，主要分析实际布线网络可能产生的电磁辐射和电磁干扰，以及电路板本身抵抗外部电磁干扰的能力，并且依据设计者的要求提出布局和布线时抑制电磁辐射和干扰的规则，作为整个PCB设计过程的指导原则。
电磁兼容中三大类PCB布线设计详解
电磁兼容中三大类PCB布线设计详解从电磁兼容的角度，我们需要对以下四种布线加以关注：A 强辐射信号线（高频、高速、时钟走线为代表）B 敏感信号（如复位信号）C 功率电源信号D 接口信号（模拟接口或数字通信接口）一、单双面布线设计1.在单层板中，电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线。
减小电源电流回路面积，减小差模环路辐射。
2.电源走线单面板或双面板，电源线走线很长，每隔3000mil 对地加去耦电容（10uF ＋1000pF）。
滤除电源线上地高频噪声。
3.Guide Ground Line对于单、双层板，关键信号线两侧应该布“Guide GroundLine”。
关键信号线两侧地“包地线”一方面可以减小信号回路面积，另外还可以防止信号与其他信号线之间的串扰。
4.回流设计在单层板或双层板中，布线时应该注意“回流面积最小化”设计，回路面积越小，回路对外辐射越小，并且搞干扰能力越强。
对于多层板来说，要求关键信号线有完整的信号回流，最后是GND 平面回流。
次重要信号有完整平面回流。
通过减小回路来防止信号串扰，同时降低对外的辐射。
5.直角走线PCB 走线不能有直角走线。
直角走线导致阻抗不连续，导致信号发射，从而产生振铃或过冲，形成强烈的EMI 辐射。
6.PCB走线粗细应一致。
粗细不一致时，走线阻抗突变，导致信号反射，从而产生振铃或过冲，形成强烈的EMI 辐射。
7.相邻布线层注意在分层设计时，应避免布线层相邻。
如果无法避免，应适当拉大两布线层上的平行信号走线会导致信号串扰。
线层之间的层间距，缩小布线层与其信号回路之间的层间距，布线层1与布线层2不宜相邻。
相邻布尽可能避免相邻布线层的层设置，无法避免时，尽量使两布线层中的走线相互垂直或平行走线长度小于1000mil ，这样减小平行走线之间的串扰。
高速电路pcb设计方法与技巧
高速电路pcb设计方法与技巧
高速电路的PCB设计是一项复杂的任务，需要考虑到信号完整性、电磁兼容性和噪声抑制等因素。
下面列出了一些高速电路PCB设计的方法和技巧：
1. 确定信号完整性要求：根据设计要求和信号频率，确定信号完整性要求，如信号的上升/下降时间、功率边缘、噪声容限等。
2. 选择适当的材料：选择适当的PCB材料，比如具有较低介电常数和损耗因子的高频层压板材料，以提高信号完整性。
3. 排布设计：在PCB布局设计中，将信号线和地线层紧密地排布在一起，以降低传输延迟。
同时，尽量避免信号线交叉和平行布线，以减小串扰干扰。
4. 使用差分信号线：对于高速信号，采用差分信号线可以减少干扰和噪声。
差分信号线需要保持匹配长度和间距，并使用差分对地层。
5. 引脚分布：将相关的信号和地线引脚布局在相邻位置，并使用直接和短的连接，以减小传输延迟。
6. 电源和地线：在PCB设计中，电源和地线是非常重要的。
为了提高电源供应的稳定性和降低噪声，采用分层设计，并保持电源和地线的低阻抗连通。
7. 规避回流路径：设计中应尽量避免信号流经大电流回流路径，以降低电磁干扰。
8. 耦合和终端阻抗：为了提高信号的传输质量，需要合理设计耦合和终端阻抗，并在设计中考虑到信号的反射和幅度损耗。
9. 电磁兼容性：在PCB设计中，应遵循电磁兼容性规范，使用恰当的屏蔽和过滤技术，以减少电磁辐射和敏感性。
10. 仿真和调试：在最终的PCB设计中，使用仿真工具来验证信号完整性和电磁兼容性，并在实际测试中进行调试和优化。
以上是一些高速电路PCB设计的方法和技巧，设计人员可以根据实际需求和设计要求来选择和应用。
高速pcb设计规则
高速pcb设计规则
高速PCB设计规则是指在设计PCB时需要遵循的一系列规则和原则，以确保信号传输的质量和稳定性。
高速 PCB 的设计需要考虑多
种因素，如信号传输速度、信号波形、传输距离、干扰等等。
以下是一些常见的高速 PCB 设计规则：
1. 避免信号线的走线路径过长，尽可能缩短信号线的长度，以
减小信号传输延迟和损耗。
2. 保证信号线之间的距离足够大，以避免互相干扰，同时也能
降低信号串扰的风险。
3. 使用合适的层次结构设计，尽可能将信号线和电源线分离，
以减少干扰和噪声。
4. 在 PCB 的布线中，保证地线和供电线的宽度足够宽，以确保稳定的供电和地面连接。
5. 在 PCB 的布线中，避免过多的弯曲或拐角，以减小信号传输中的损失和延迟。
6. 选用合适的 PCB 材料和厚度，以满足高速信号传输的需求。
7. 注意 PCB 的电磁兼容性，通过合理的布线和屏蔽来减少干扰。
以上是高速 PCB 设计中的一些基本规则，但实际上，高速 PCB 的设计涉及的方面非常广泛，需要根据具体的应用场景来进行设计。
为了保证高速 PCB 的质量和可靠性，需要有专业的技术人员进行设
计和测试。
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4.特性阻抗问题(3)
表面微带线模型结构如图所示 其阻抗特性公式为：
差分信号，其特性阻抗Zd iff修正公式为：
4.特性阻抗问题(4)
0
Zs
Vi (1+ρ)Vi 0
VS
Z0
Zt
Zt Z 0
➢回流噪声：地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字
信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。
➢断点：是信号线上阻抗突然改变的点。
4. 电源完整性问题-地面分割
模拟地
模拟地
数字地
单点连接
数字地
地线桥连接
4. 电磁兼容（EMC）
包括电磁干扰和电磁抗干扰 ， EMC设计规则有： ➢20H规则 . ➢接地面处理 ➢混合信号PCB的分区设计 ：第一个原则是尽可能减小电流环路
响应曲线
Z
f
Z f
Z f
Z f
变压 器
Z f
4.特性阻抗问题(1)
特性阻抗
考虑电磁波和有关方波传播， 原来简单的导线，逐渐转变成 高频与高速类的复杂传输线。
只考虑杂散分布的串联 电感和并联电容的效应， 会得到以下公式：
4.特性阻抗问题(2)
影响PCB走线特性阻抗的因素主要有： ➢铜线的宽度和厚度 ➢介质的介电常数和厚度 ➢焊盘的厚度 ➢地线的路径、周边的走线等。
4. PCB设计的问题－过孔
4. PCB设计的问题－过孔的处理
过孔（via）：
过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接； 二是用作器件的固定或定位。
从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即 盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(throu gh via)。
设计原则：过孔越小越好，这样板上可以留有更多的 布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越 小，更适合用于高速电路。
4. 信号完整性问题－串扰的产生
感应电流
Vnoise Lm didriver dt
4. 电源完整性问题
电源完整性PI ：
➢电子噪声：电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号
➢地弹噪声：强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和
地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电 容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增 加均会导致地弹的增大。
4. PCB设计的问题－过孔的寄生电容
已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直 径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔 的寄生电容大小近似于：
C=1.41*ε*T*D1/(D2-D1)
主要影响:延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。
当T=50Mil,D1=20Mil，D2=32Mil，过孔内径d=10Mil
4. 信号完整性问题(2)
SI是个系统问题，以下是将问题的分解。
➢传输线效应分析：阻抗、损耗、回流…… ➢反射分析：过冲、振铃…… ➢时序分析：延时、抖动…… ➢串扰分析 ➢噪声分析：地弹、电源下陷…… ➢PI设计：确定如何选择电容、电容如何放置、PCB合适叠层方 式…… ➢PCB、器件的寄生参数影响分析 ➢ 端接技术等
过孔的寄生电容大致是：
C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，引 起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517
x(55/2)=31.28ps
4. PCB设计的问题－过孔的寄生电感
h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径，则其电感L为： L=5.08h[ln(4h/d)+1]
L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH
如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为： XL=πL/T10-90=3.19Ω。
5. 高速PCB的设计
在高速电路中，信号线对电源的影响：
5. 高速PCB的设计－终端匹配技术(SCRA TCHPAD)
单端信号的终端匹配技术通常包括：驱动端串行连接的终 端匹配技术，接收端并行连接的终端匹配技术、戴维南终 端匹配技术、AC终端匹配技术、二极管终端匹配技术
DIP封装：1：86
QFP封装：1:7.8
BGA封装：厚度比QFP减 少1/2以上重量减轻3/4 以上; 寄生参数减小信号 传输延迟小使用频率大 大提高
uBGA封装：1:4
CSP封装：1:1.1
MCM组件
2.制作PCB的基本流程
印刷电路板 内层线路 压 合 钻 孔
文字印刷 防焊绿漆
外层线路 二次铜
的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。
➢通过PCB分层堆叠设计 ➢降低EMI的机箱设计 ➢其它技术
4. 热设计
数字电路散热原理 散热处理
Tc＝Tj－P× RJC
4. PCB设计的问题
双面板/多层板选择问题：
➢最高工作频率 ➢电路系统的复杂程度 ➢组装密度的要求
如时钟频率超过200MHZ时，选用多层板； 如工作频率超过350MHz，选用以聚四氟 乙烯作为介质层的印制电路板：它的高频衰耗 要小；寄生电容要小；传输速度要快；还由于 Z0较大而省功耗。
4. PCB设计的问题－布线基本原则(1)
➢所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔以减少串 扰如果有两距较近的信号线最好在两线之间走一条接地 线这样可以起到屏蔽作用。
4. PCB设计的问题－布线基本原则(2)
➢设计信号传输线时要避免急拐弯以防传输线特性阻抗的 突变而产生反射要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆 弧线
Zt Z 0
Zs
VS
Z0
Z0
当Zt＝Z0
0
4. 特性阻抗问题(5)
Zs
VS
Z0
ZtZ00Z01
ZtZ0 0Z0
Zs
VS
Z0
ZtZ0Z01
ZtZ0 Z0
4.信号完整性问题(1)
信号完整性SI ：指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力
信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、 同步切换噪声和电磁兼容性。
镀通孔 一次铜
接点加工
成型切割
终检包装
3.目前的PCB软件
➢Protel ➢Orcad ➢Zuken ➢PowerPCB ➢Cadence
4. 硬件设计的问题
➢逻辑设计 ➢可靠性的设计
包括5个部分：特性阻抗、SI、PI、EMC、 热设计
元件在射频时的特性
元件 低频模型
导线 电阻 电容 电感
高频模型
6. PCB设计演示
D:\PADS2005\2005\Programs\pwrlogic. mdb
6. 基于Hyperlynx的信号完整性分析
分析信号：DSP_SDCLK, 长度为420mil
100MHz
180MHz
高速PCB设计
内容概要
➢器件封装知识 ➢制作PCB的基本流程 ➢目前的PCB软件 ➢PCB设计的基本问题 ➢高速PCB的设计 ➢PCB设计演示
1.器件封装－形式
目前常用的封装形式：
PDIP
SOP
QFP
PLCC
PG芯片面积与封装面积之比 ➢频率 ➢耐温性能 ➢重量减小 ➢可靠性提高 ➢使用更加方便