PCB阻抗控制

     随着 PCB 信号切换速度不断增长,当今的 PCB 设计厂商需要理解和控制 PCB 迹线的阻抗。相应于现代数字电路较短的信号传输时间和较高的时钟速率,PCB 迹线不再是简单的连接,而是传输线。

     在实际情况中,需要在数字边际速度高于1ns或模拟频率超过300Mhz时控制迹线阻抗。PCB 迹线的关键参数之一是其特性阻抗(即波沿信号传输线路传送时电压与电流的比值)。印制电路板上导线的特性阻抗是电路板设计的一个重要指标,特别是在高频电 路的PCB设计中,必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致,是否匹配。这就涉及到两个概念:阻抗控制与阻抗匹配,本文重点讨论阻抗控制和叠层设计的问题。

阻抗控制

     阻抗控制(eImpedance Controling),线路板中的导体中会有各种信号的传递,为提高其传输速率而必须提高其频率,线路本身若因蚀刻,叠层厚度,导线宽度等不同因素,将会造成阻抗值得变化,使其信号失真。故在高速线路板上的导体,其阻抗值应控制在某一范围之内,称为“阻抗控制”。

     PCB 迹线的阻抗将由其感应和电容性电感、电阻和电导系数确定。影响PCB走线的阻抗的因素主要有: 铜线的宽度、铜线的厚度、介质的介电常数、介质的厚度、焊盘的厚度、地线的路径、走线周边的走线等。PCB 阻抗的范围是 25 至120 欧姆。

     在实际情况下,PCB 传输线路通常由一个导线迹线、一个或多个参考层和绝缘材质组成。迹线和板层构成了控制阻抗。PCB 将常常采用多层结构,并且控制阻抗也可以采用各种方式来构建。但是,无论使用什么方式,阻抗值都将由其物理结构和绝缘材料的电子特性决定:

  • 信号迹线的宽度和厚度

  • 迹线两侧的内核或预填材质的高度

  • 迹线和板层的配置

  • 内核和预填材质的绝缘常数

PCB传输线主要有两种形式:微带线(Microstrip)与带状线(Stripline)。

微带线(Microstrip):

     微带线是一根带状导线,指只有一边存在参考平面的传输线,顶部和侧边都曝置于空气中(也可上敷涂覆层),位于绝缘常数 Er 线路板的表面之上,以电源或接地层为参考。如下图所示:

注意:在实际的PCB制造中,板厂通常会在PCB板的表面涂覆一层绿油,因此在实际的阻抗计算中,通常对于表面微带线采用下图所示的模型进行计算:

带状线(Stripline):

带状线是置于两个参考平面之间的带状导线,如下图所示,H1和H2代表的电介质的介电常数可以不同。

     上述两个例子只是微带线和带状线的一个典型示范,具体的微带线和带状线有很多种,如覆膜微带线等,都是跟具体的PCB的叠层结构相关。

     用于计算特性阻抗的等式需要复杂的数学计算,通常使用场求解方法,其中包括边界元素分析在内,因此使用专门的阻抗计算软件SI9000,我们所需做的就是控制特性阻抗的参数:

绝缘层的介电常数Er、走线宽度W1、W2(梯形)、走线厚度T和绝缘层厚度H。

对于W1、W2的说明:

计算值必须在红框范围内。其余情况类推。

下面利用SI9000计算是否达到阻抗控制的要求:

首先计算DDR数据线的单端阻抗控制:

TOP层:铜厚为0.5OZ,走线宽度为5MIL,距参考平面的距离为3.8MIL,介电常数为4.2。选择模型,代入参数,选择lossless calculation,如图所示:

coating表示涂覆层,如果没有涂覆层,就在thickness 中填0,dielectric(介电常数)填1(空气)。

substrate表示基板层,即电介质层,一般采用FR-4,厚度是通过阻抗计算软件计算得到,介电常数为4.2(频率小于1GHz时)。

点击Weight(oz)项,可以设定铺铜的铜厚,铜厚决定了走线的厚度。

9、绝缘层的Prepreg/Core的概念:

PP(prepreg)是种介质材料,由玻璃纤维和环氧树脂组成,core其实也是PP类型介质,只不过他的两面都覆有铜箔,而PP没有,制作多层板时,通常将CORE和PP配合使用,CORE与CORE之间用PP粘合。

10、PCB叠层设计中的注意事项:

(1)、翘曲问题

PCB的叠层设计要保持对称,即各层的介质层厚、铺铜厚度上下对称,拿六层板来说,就是TOP-GND与BOTTOM-POWER的介质厚度和铜厚一致,GND-L2与L3-POWER的介质厚度和铜厚一致。这样在层压的时候不会出现翘曲。

(2)、信号层应该和邻近的参考平面紧密耦合(即信号层和邻近敷铜层之间的介质厚度要很小);电源敷铜和地敷铜应该紧密耦合。

(3)、在很高速的情况下,可以加入多余的地层来隔离信号层,但建议不要多家电源层来隔离,这样可能造成不必要的噪声干扰。

(4)、典型的叠层设计层分布如下表所示:

(5)、层的排布一般原则:
元件面下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面;
所有信号层尽可能与地平面相邻;
尽量避免两信号层直接相邻;
主电源尽可能与其对应地相邻;
兼顾层压结构对称。
对于母板的层排布,现有母板很难控制平行长距离布线,对于板级工作频率在50MHZ 以上的
(50MHZ 以下的情况可参照,适当放宽),建议排布原则:
元件面、焊接面为完整的地平面(屏蔽);
无相邻平行布线层;
所有信号层尽可能与地平面相邻;
关键信号与地层相邻,不跨分割区。

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