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基于DSP的高速PCB抗干扰设计

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作者:西南交通大学 刘金锁 张翠芳 董高菲时间:2007-03-21来源:单片机及嵌入式系统应用
引  言

随着(数字信号处理器)的广泛应用,基于的高速信号处理板的设计显得尤为重要。在一个系统中,DSP微处理器的工作频率可高达数百MHz,其复位线、中断线和控制线、集成电路开关、高精度A/D转换电路,以及含有微弱模拟信号的电路都非常容易受到干扰;所以设计开发一个稳定的、可靠的DSP系统,设计非常重要。

干扰即干扰能量使接收器处在不希望的状态。干扰的产生分两种:直接的(通过导体、公共阻抗耦合等)和间接的(通过串扰或辐射耦合)。很多电器发射源,如光照、电机和日光灯都可以引起干扰,而电磁干扰EMI能产生影响有3个必需的途径,即干扰源、传播途径和干扰受体,只需要切断其中的一个就可以解决电磁干扰问题。

1 DSP系统的干扰产生分析

为了做出一个稳定可靠的DSP系统,必须从各个方面来消除干扰,即使不能完全消除,也要尽量减少到最小。对于DSP系统而言,主要干扰来自于以下几个方面:

①输入输出通道干扰。指干扰通过前向通道和后向通道进入系统,如DSP系统的数据采集环节,干扰通过传感器迭加到信号上,使数据采集的误差增大。在输出

环节,干扰可以将输出的数据误差增大,甚至完全错误,造成系统崩溃。可以合理利用光耦器件减小输入输出通道干扰,对于传感器和DSP主系统的干扰可利用电气隔离来阳档千扰讲入。

②电源系统的干扰。整个DSP系统的主要干扰源。电源在向系统提供电能的同时也将其噪声加到供电的电源上,必须在电源芯片电路设计时对电源线进行退耦。

③空间辐射耦合干扰。经过辐射的耦合通常称为串扰。串扰发生在电流流经导线时产生的电磁场,而电磁场在邻近的导线中感应瞬态电流,造成临近的信号失真,甚至错误。串扰的强度取决于器件、导线的几何尺寸及相隔距离。在DSP布线时,信号线间距越大,距离地线越近,就越可以有效地减小串扰。

2  针对产生干扰的原因设计

下面给出如何在DSP系统的制作过程中减小各种干扰的方法。

2.1  多层板的层叠式设计

DSP高速数字电路中,为了提高信号质量,降低布线难度,增加系统的EMC,一般采用多层板的层叠式设计。层叠式设计可以提供最短的回流路径,减小耦合面积,抑制差模干扰。在层叠式设计中,分配专门的电源层和地层,并且地层和电源层紧耦合对抑制共模干扰有好处(利用相邻的平面降低电源平面交流阻抗)。以图1所示的4层板为例来说明层叠式的设计方案。

四层PCB板的层叠式设计

采用这种4层PCB设计的结构有很多优点。在顶层(top层)下面有一层电源层,元器件的电源引脚可以直接接到电源,不用穿过地平面。关键的信号选布在底层(bottorn层),使重要的信号走线空间更大,器件尽量放在同一层面上。若没有必要,不要做2层零件的板子,这样会增加装配时间和装配复杂度。如top层,只有当top层组件过密时,才将高度有限并且发热量小的器件,像退耦电容(贴片)放在bottom层。对于DSP系统可能有大量的线要布,采用层叠式设计,可以在内层走线。如果按照传统的通孔会浪费很多宝贵的走线空间,可以利用盲埋孔(blind/buried via)来增加走线面积。

2.2 布局设计

为了使DSP系统获得最佳性能,元器件的布局是非常重要的。首先放置DSP、Flash、SRAM和CPLD器件,这耍慎重考虑走线空间,然后按功能独立原则放置其他IC,最后考虑I/O口的放置。结合以上布局再考虑PCB的尺寸:若尺寸过大,会使印制线条太长,阻抗增加,抗噪声能力下降,制板费用也会增加;如果PCB太小,则散热不好,而且空间有限,邻近的线条容易受到干扰。所以要根据实际需要选择器件,结合走线空间,大体上算出PCB的大小。在对DSP系统布局时,以下器件的摆放位置要特别注意。

(1) 高速信号布局

在整个DSP系统中,DSP与Flash、SRAM之间是主要的高速数字信号线,所以器件之间的距离要尽量近,其连线尽可能短,并且直接连接。因此,为了减小传输线对信号质量的影响,高速信号走线应尽量短。还要考虑到很多速度达到几百MHz的DSP芯片,需要做蛇型绕线(delay tune)。这在下面布线中将重点阐述。

(2) 数模器件布局

在DSP系统中大多不是单一的功能电路,大量应用了CM0S的数字器件和数字模拟混合器件,所以要将数/模分开布局。模拟信号器件尽量集中,使模拟地能够在整个数字地中间画出一个独立的属于模拟信号的区域,避免数字信号对模拟信号的干扰。对于一些数模混合器件,如D/A转换器,传统上将其看作模拟器件,把它放在模拟地上,并且给其提供一个数字回路,让数字噪声反馈回信号源,减小数字噪声对模拟地的影响。

(3) 时钟的布局

对于时钟、片选和总线信号,应尽量远离I/O线和接插件。DSP系统的时钟输入,很容易受到干扰,对它的处理非常关键。要始终保证时钟产生器尽量靠近DSP芯片,使时钟线尽量短。时钟晶体振荡器的外壳最好接地。

(4)退耦布局

为了减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲,对集成电路芯片加退耦电容,这样可以有效地去除电源上毛刺的影响,并减少在PCB上的电源环路反射。加退耦电容可以旁路掉集成电路器件的高频噪声,还可以作为储能电容,提供和吸收集成电路开关门瞬间的充放电能。

在DSP系统中,对各个集成电路安放退耦电容,像DSP、SRAM、Flash等,在芯片的每个电源和地之间添加,而且要特别注意,退耦电容要尽量靠近电源提供端(source)和IC的零件脚(pin)。保证从电源提供端(sotlrce端)和进入IC的电流的纯净,并且尽量能让噪音的路径缩短。如图2所示,处理电容时,使用大的过孔或多个过孔,且过孔到电容间的连线应尽量短、粗。2个过孔距离远时,因为路径太大,不好;最好的就是退耦电容的2个过孔越近越好,可以使噪声以最短路径到地。

对退耦电容的处理

另外在电源输入端或电池供电的地方加上高频电容是非常有利的。一般情

况下,对退耦电容的取值不是很严格,一般按C=l/,计算,即频率为10 MHz时取0.1μF的电容。

(5) 电源的布局

在进行DSP系统开发时,电源需要慎重考虑。因为一些电源芯片发热量很大,应优先安排在利于散热的位置,要与其他元器件隔开一定距离。可以利用加散热片或在器件下面铺铜来进行散热处理。注意在开发板底层不要放置发热组件。

(6) 其他注意

对于DSP系统其他组件的布局应该尽量考虑到焊接方便、调试方便和美观等要求。如对电位器、可调电感线圈、可变电容器、拨码开关等可调器件要结合整体结构放置。对于超过15 g的器件要加固定支架再焊接,特别注意要留出PCB的定位孔及固定支架所占用的位置。PCB边缘的元器件离PCB板边距离一般不要小于2 mm,PCB最好为矩形,长宽比为3:2或4;3。

2.3布线设计

在综合考虑到增加DSP系统性,增强EMC能力进行布局后,布线也要有一些措施和技巧。

(1)  DSP的布线

布线大体上是从核心器件开始,并以其为中心展开。对于DSP这种PQFP(Plastic Quad FIat Pack)或BGA(BaIl Grid Arrayr)封装的器件,如图3所示,应先根据SRAM、Flash和CPLD的布局位置大体判断出走线方向,对引脚进行扇出(fanout)操作。特别是对于QFP&BGA类型的器件,扇出就显得尤其重要。在布线开始之初,就先把BGA类型器件的引脚作扇出,可以为后面的布线节省时间,并可以提高布线的质量和效率。在布线时,合理利用EDA工具的特点,比如power PCB的dynamicc rou-ting,可以最优计划空间。用dynamic的时候,这个功能会自动让线与线之间的空间保持在规则里面,不浪费空间,减少后续修改,提高布线的质量和效率。

PQFP

对于高速DSP还要注意串扰及蛇行(delay tune)走线处理。蛇行走线处理,如图4所示,可以保证信号的完整性,还要保证高速信号参考平面的连续性。在需要作平面分割的时候,一定注意不要让高速线跨不连续的平面;非要跨,就加跨平面的电容,如图5所示。

蛇行走线处理

连续的参考平面

当信号线(trace)间隔3倍信号线宽时,信号间相互串扰(coupling)的几率只有25%左右,这样就可以达到抗电磁干扰(EMI)的要求。所以,像CLK和SRAM这些高速信号线,切记与它旁边的信号线远离3倍宽以上,调等长时,即蛇型走线,线与线的宽度也要3倍信号线宽以上,包括对于其本身的信号线也要3倍信号线宽。如图6所示,线宽5 mil*,绕线本身内部的距离是15mil,大于等于3倍的线宽。

串扰处理

(2) 时钟的布线

对于时钟信号,要使其对于其他信号的走线距离尽量大,保证在4倍线宽以上的距离,并且在时钟(零件)的下面不要走线;对于模拟电压输入线,参考电压端和I/0信号线尽量远离时钟。

(3) 对系统电源的处理

电源是系统中最重要的部分。在PCB的层叠设计中分配了单独的电源层,但由于一个DSP系统有多种数字和模拟器件,这样所用到的电源也有多种,所以对电源层进行了分割,使相同电源特性的器件分割在同一区域内,可就近连接到电源层。但要特别注意,进行分割的时候要注意使参考电源平面的信号连续。经过实验证明,40 mil的线宽,可以通过的电流能保证有l A;对于过孑L,钻径为16 mil的可以通过1 A的电流,所以对于DSP系统,电源线大于20 mil即可。对于电源线上的电磁辐射防护要注意以下几点:

◆用旁路电容限制上交流电流的泄漏;

◆在电源线上串接共模扼流圈(common modechoke),以抑制流经线中的共模电流;

◆布线靠近,减小磁辐射面积。

(4) 对接地的处理

在所有的EMC问题中,主要问题都是不适当的接地而引起的。地线处理的好坏直接影响系统的稳定可靠。接地有以下作用:

◇降低输出线上的共模电压VCM;

◇减小对静电(ESD)的敏感;

◇减小电磁辐射。

高频数字电路和低频模拟电路的地回路绝对不能混合,必须将数/模地分开,因为数字电路高低电位切换时会在电源和地产生噪声;若地平面不分开,模拟信号依然会被地噪声干扰。所以对高频信号应采用多点串联接地,尽量加粗缩短地线,这样除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。但对于一个系统而言,无论怎样分,最终的大地只有一个,只是泻放途径不同而已,所以最后通过磁珠或0 n电阻,将数字地和模拟地连在一起来消除混合信号的干扰。

地平面分割时,必须保证参考平面的连续性。像数/模共存的PCB板,若模拟信号线走的距离比较远,应尽量使其参考回流路径也是模拟地。这意味着在地层要沿模拟信号的路径割一个模拟地,使其参考模

拟地,保证其参考平面的连续性。

(5) 其他注意事项

①在布线时,导线的拐角处一般不要走成90


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