PCB

当今，在没有透彻掌握芯片、封装结构及PCB的电源供电系统特性时，高速电子系统的设计是很难成功的。事实上，为了满足更低的供电电压、更快的信号翻转速度、更高的集成度和许多越来越具有挑战性的要求，很多走在电子设计前沿的公司在产品设计过程中为了确保电源和信号的完整性，对电源供电系统的分析投入了大量的资金，人力和物力。

电源供电系统(PDS)的分析与设计在高速电路设计领域，特别是在计算机、半导体、通信、网络和消费电子产业中正变得越来越重要。随着超大规模集成电路技术不可避免的进一步等比缩小，集成电路的供电电压将会持续降低。随着越来越多的生产厂家从130nm技术转向90nm技术，可以预见供电电压会降到1.2V，甚至更低，而同时电流也会显著地增加。从直流IR压降到交流动态电压波动控制来看，由于允许的噪声范围越来越小，这种发展趋势给电源供电系统的设计带来了巨大的挑战。

PCB电源供电系统设计概览

通常在交流分析中，电源地之间的输入阻抗是用来衡量电源供电系统特性的一个重要的观测量。对这个观测量的确定在直流分析中则演变成为IR压降的计算。无论在直流或交流的分析中，影响电源供电系统特性的因素有：PCB的分层、电源板层平面的形状、元器件的布局、过孔和管脚的分布等等。

PCB抄板及设计工作中，我们常常要对电路板进行调试与测试，六类模块电路板的调试就是其中一种，为了能让大家更好的理解六类模块电路板的调试技术，我先给大家简单的介绍一下六类模块。六类模块的核心部件是线路板，其设计结构、制作工艺基本上就决定了产品的性能指标，六类模块执行的标准是 EIA/TIA 568B.2-1，当中最为重要的参数是插入损耗、回波损耗、近端串扰等。

插入损耗 (Insert Loss)：由于传输通道阻抗的存在，它会随着信号频率的增加而使信号的高频分量衰减加大，衰减不仅与信号频率有关，也与传输距离有关，随着长度的增加，信号衰减也会随着增加。回波损耗(Return Loss)：由于产品中阻抗发生变化，就会产生局部震荡，致使信号反射，被反射到发送端的一部分能量会形成噪音，导致信号失真，降低传输性能。如全双工的千兆网，会将反射信号误认为是收到的信号而引起有用信号的波动，造成混乱，反射的能量越少，就意味着通道采用线路的阻抗一致性越好，传输信号越完整，在通道上的噪音就越小。

回波损耗RL的计算公式：

由于开关电源的开关特性，容易使得开关电源产生极大的电磁兼容方面的干扰，作为一个电源工程师、电磁兼容工程师，或则一个 PCB layout 工程师必须了解电磁兼容问题的原因已经解决措施，特别是 layout 工程师，需要了解如何避免脏点的扩大，本文主要介绍了电源 PCB 设计的要点。

layout与PCB的29个基本关系

1、几个基本原理：任何导线都是有阻抗的；电流总是自动选择阻抗最小的路径；辐射强度和电流、频率、回路面积有关；共模干扰和大 dv/dt 信号对地互容有关；降低 EMI 和增强抗干扰能力的原理是相似的。

2、布局要按电源、模拟、高速数字及各功能块进行分区。

3、尽量减小大 di/dt 回路面积，减小大 dv/dt 信号线长度（或面积，宽度也不宜太宽，走线面积增大使分布电容增大，一般的做法是：走线的宽度尽量大，但要去掉多余的部分），并尽量走直线，降低其隐含包围区域，以减小辐射。

在PCB的EMC设计考虑中，首先涉及的便是层的设置；单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成；在产品的EMC设计中，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的PCB设计也是一个非常重要的因素。
　　
PCB的EMC设计的关键，是尽可能减小回流面积，让回流路径按照我们设计的方向流动。而层的设计是PCB的基础，如何做好PCB层设计才能让PCB的EMC效果最优呢？
　　
PCB层的设计思路：
　　
PCB叠层EMC规划与设计思路的核心就是合理规划信号回流路径，尽可能减小信号从单板镜像层的回流面积，使得磁通对消或最小化。
　　
1、单板镜像层
　　
镜像层是PCB内部临近信号层的一层完整的敷铜平面层（电源层、接地层）。主要有以下作用：
　　
（1）降低回流噪声：镜像层可以为信号层回流提供低阻抗路径，尤其在电源分布系统中有大电流流动时，镜像层的作用更加明显。
　　
（2）降低EMI：镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积，降低了EMI；

首先需要说明的是，盎司（OZ）本身是一个重量单位。盎司和克（g）的换算公式为：1OZ ≈28.35g。

在PCB行业中，1OZ意思是重量1OZ的铜均匀平铺在1平方英尺（FT2）的面积上所达到的厚度。它是用单位面积的重量来表示铜箔的平均厚度。用公式来表示即，1OZ=28.35g/ FT2（FT2为平方英尺，1平方英尺=0.09290304平方米）。

具体来说，它和长度也可以说厚度的换算方法如下：

首先，我们知道铜的密度常数和相关单位换算公式如下：
铜的密度ρ=8.9g/cm3
1厘米（cm）=10毫米（mm）； 1毫米（mm）=1000微米（um）
1mil≈25.4um
1 FT2≈929.0304cm2
1mil≈25.4um

根据质量的计算公式m＝ρ×V（体积）＝ρ×S（面积）×t（厚度），知道铜箔的重量除以铜的密度和面积即为铜箔厚度！

从前文又知，1OZ=t×929.0304cm2×8.9g/ cm3=28.35g

所以，t=28.35÷929.0304÷8.9cm≈0.0034287cm=34.287um≈34.287÷25.4mil≈1.35mil

如果PCB的地较多，有SGND、AGND、GND，等等，就要根据PCB板面位置的不同，分别以最主要的“地”作为基准参考来独立覆铜，即是将地连接在一起。

一般铺铜有几个方面原因

1、EMC.对于大面积的地或电源铺铜，会起到屏蔽作用，有些特殊地，如 PGND 起到防护作用。

2、PCB 工艺要求。一般为了保证电镀效果，或者层压不变形，对于布线较少的PCB 板层铺铜。

3、信号完整性要求，给高频数字信号一个完整的回流路径，并减少直流网络的布线。当然还有散热，特殊器件安装要求铺铜等等原因。

开关耐压与漏电要求

当开关电源的输入、输出电压交流超过36V, 直流超过42V 时，需要考虑触电问题。安规规定：任何两个可触及件或任何一个可触及件与电源的一极间漏电不要超过及件与电源的一极间漏电不要超过0.7mAp 或直流 2mA。

输入电压为开关电源220V时，其冷热地之间的爬电距离不能小于6mm，两端口线间的间距必须大于3mm。

开关变压器的初次级之间的耐压要求使用交流3000v，设定漏电流为10mA。进行1分钟的测试，其漏电流必须小于10mA.

开关电源的输入端对地（外壳）的耐压使用交流1500V，设定漏电流为10mA,进行1分钟的耐压测试，其漏电流必须小于10mA。

开关电源的输出端对地（外壳）的耐压使用直流500V，设定漏电流为10mA,进行1分钟的耐压测试，其漏电流必须小于10mA。

开关安全爬电距离要求

两线中的一次侧和二次侧安全距离：6mm，加1mm开槽也要4.5mm。

三线中的一次侧和二次侧安全距离：6mm，加1mm开槽也要4.5mm。

保险丝两铜箔之间安全距离>2.5mm。加1mm开槽也要1.5mm。

要想保持印制电路板信号完整性，就应该采用能使印制线阻抗得到精确匹配的层间互连（通孔）这样一种独特方法。随着数据通信速度提高到3Gbps以上，信号完整性对于数据传输的顺利进行至关重要。电路板设计人员试图消除高速信号路径上的每一个阻抗失配，因为这些阻抗失配

要想保持印制电路板信号完整性，就应该采用能使印制线阻抗得到精确匹配的层间互连（通孔）这样一种独特方法。

随着数据通信速度提高到3Gbps以上，信号完整性对于数据传输的顺利进行至关重要。电路板设计人员试图消除高速信号路径上的每一个阻抗失配，因为这些阻抗失配会产生信号抖动并降低数据眼的张开程度——从而不仅缩短数据传输的最大距离，而且还将诸如SONET（同步光网络）或XAUI（10Gb附属单元接口）等通用抖动规范的余量降到最低程度。

由于印刷电路板上的信号密度的提高，就需要更多的信号传输层，而且通过层间互连（通孔）实现传输也是不可避免的。过去，通孔代表一种产生信号失真的重要来源，因为其阻抗通常大约为25~35Ω。这么大的阻抗不连续性会使数据眼图的张开程度降低3dB，并会依据数据速率大小而产生大量的抖动。结果，电路板设计人员要么尝试避免在高速线路上使用通孔，要么尝试采用新技术，例如镗孔或盲孔。这些方法虽然有用，但却会增加复杂度并大大提高电路板成本。