解析完成计算差分阻抗的过程

在PCB布局软件中进行差分对走线是一个棘手的过程。幸运的是，KiCad有一些工具可以帮助我们完成这个过程。在本教程中，我们将带领您完成计算差分阻抗的过程，并基于此通过一个项目创建一对USB数据线。

先做一些研究

在对任何高速信号总线或差分对走线进行布线之前，最好对这些信号的要求做一些研究。

以USB2.0高速总线为例，我们可以先下载USB2.0规范作为参考。这个规范的内容非常多，所以仅作参考，同时阅读其它一些易于迅速理解的文档。比如下面一些文章可以帮助你理解如何对USB2.0高速数据线进行布线：

https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/an0046-efm32-usb-hardware-design-guidelines.pdf

https://www.ti.com/lit/an/slla414/slla414.pdf？ts=1605978923732&ref_url=https://www.google.com/

https://octavosystems.com/app_notes/osd335x-design-tutorial/osd335x-lesson-2-minimal-linux-boot/osd335x-lesson-2-usb-circuitry/

此外，这里有一些工程师关于做USB数据线走线的不错的讨论：

https://electronics.stackexchange.com/questions/325721/do-usb-data-wires-d-d-have-90-ohm-differential-impedance-and-single-ended-45

https://electronics.stackexchange.com/questions/41851/how-critical-is-the-layout-of-usb-data-lines-how-does-my-layout-look

https://electronics.stackexchange.com/questions/311310/understanding-usb-differential-and-single-ended-impedance-requirements

https://electronics.stackexchange.com/questions/446692/routing-long-usb-2-0-high-speed-traces-microstrip-or-stripline

通过这些文章的阅读，我们可以确定一些要求：

数据线之间的差分阻抗应为90 Ω +/- 15%。

每条数据线的单端阻抗（相对于GND）应为45 Ω +/- 15。

数据线总长度差不大于0.150英寸（3.81 mm）。换句话说，尽量保持D+和D-的长度不变。

数据线应尽可能在不间断的接地面上布线。

在可能的地方避免做90°直角走线（包括过孔）

避免在走线上留下不连接任何地方的分叉

确定PCB的特性

去你想要制板的PCB制造商的网站，找到你计划生产的电路板的特性说明。比如下面是来自一些快板厂的网站上的典型参数：

1盎司铜（走线为1.4 mil或0.036 mm厚）

1.6mm的板厚

FR4材料

2层板

6 mil （0.1524 mm）最小走线宽度

6 mil （0.1524 mm）最小走线间距

注意，这是一个2层板！ 在2层1.6毫米厚的板上布线差分对通常是相当困难的，因为数据线需要很宽才能达到所需的阻抗。使用更薄的板（例如铜层之间0.8毫米厚的介质材料），可以使用更窄的走线用于差分对信号。通常，你会发现4层以上的PCB板可以在铜层之间提供较薄的介电材料（如FR4）。

KiCad中的Net Name命名

在创建原理图时，必须使用以下后缀之一来命名差分对信号的Net Name：

+/-（例如D+和D-）

_P/_N（例如D_P和D_N）

KiCad在PCB布线使用差分对走线工具时会自动查找这些后缀对。

使用KiCad阻抗计算器

KiCad在项目管理器面板中有一个内置的阻抗计算器，在项目管理器面板中，选择：工具》计算器工具，选择“传输线路”选项。

传输线计算器选项卡为计算阻抗提供了几个选项。我们想为差分对使用左侧的“耦合微带线”选项。开始填写基板参数部分。

注意，你可以点击“…按钮的一些参数得到弹出窗口选择您的材料。对于这些，我们使用铜作为导体，FR4作为介质材料。

Er（介电常数）：4.5

TanD（介电损耗系数）： 0.02

Rho（导体的特性电阻）：1.72e-08

H（走线距离底部接地平面的距离）：1.6 mm（板厚）

H_t（走线和顶部地平面之间的距离）：10000毫米（我们使用最外层进行查分对走线，这个参数可以设置比较大甚至近似无穷，如果你在两个地平面之间走线，可以设置这个参数为FR4厚度）

T（铜厚度）：0.03556 mm（对应1盎司铜）

Rough（表面粗糙度）：0（我们的计算不需要）

mu Rel C（导体相对磁导率）：1（计算中不需要）

在物理参数部分，我们输入所需的走线设置。我们在开始的时候一般都会设置差分对两线之间的距离尽可能小，这样也会让走线更窄，后面会根据需要修改走线的宽度（W），直到达到所需的差分阻抗。注意，走线的长度（L）并不重要。

开始的差分线之间的间距为0.1524 mm （一些快板厂需要的最小值），并调整走线宽度（W），直到你得到一个Zodd约45 Ω。注意，Zdiff（差分阻抗）等于2 * Zodd，因此Zodd为45 Ω给出了Zdiff为90 Ω。按下“分析”按钮来计算电气参数。

我们会发现，0.77毫米的走线宽度可以让差分阻抗非常接近90 Ω。

PCB板的设置

打开PCB布局工具（pcbnew），进入文件》板设置。确保您的设计规则》约束符合您的制造商可以生产的。然后，前往项目》网络类。

用您的差分对名称添加一个新的网络类（我给我的名称为“USB Data”）。将间隙设置为制造商的最小值，并将走线宽度（单根走线）设置为与默认类的宽度相同。改变DP宽度为我们计算的线宽（0.77 mm），改变DP间隙为我们计算的间距（0.1524 mm）。

在右下角，高亮两个差分对网名。在分配网络类，选择您的差分对网络类名称（在此为“USB Data”），并单击分配到选定的网。现在，你的差分对线将遵循我们刚刚创建的网络规则。

差分对走线

点击走线工具（或按“x”键）进入走线选择模式。在本例中，由于封装的焊盘非常小，我们需要在使用差分对工具之前先离开焊盘。点击差分对线中的其中一个。

您可能会发现（如果DP宽度很大，就像这个2层板的情况一样），KiCad不希望对线路进行走线。所以，在走线工具仍然激活的情况下，右键单击》选择通过/走线宽度》使用自定义值…

再次左键单击以开始走线跟踪。尽量从焊盘均匀地扇形离开，避免90°弯曲。

单击“走线》差分对走线”。单击其中一个走线，工具将自动开始使用指定的参数来完成这两个走线。

如果你的走线距离太远，你应该将你的“扇形”轨迹移近一点，因为你需要差分对尽可能保持准确的分离距离。您还可以让差分对开始向另一个方向移动，以允许工具匹配差分对线之间的间距。

继续在元件之间进行走线。注意，如果你需要在某些地方停下来（比如，上拉/下拉电阻），你应该尽量通过这些焊盘，避免分叉。

走线应尽可能地直，避免不必要的转弯。有时候，你需要走线到板的外部边缘的连接器，所以不得不使用45°拐弯来逐渐弯曲。

同样，如果差分对的宽度相对于终端元器件的焊盘过大，可以使用具有自定义宽度的单走线，将导线引入到焊盘上，但要尽量避免这种情况。

走线长度尽可能一致

对于高速总线，您几乎总是希望总线上的每一个数据位在同一时间到达目的地（或尽可能接近同一时间）。如果走线的长度不同，每个数据位到达的时间也可能不同！ 这就是所谓的“位偏差”，可能会对通信总线造成严重破坏。

通过选择工具，选择差分对线中的其中一根，查看一下它的总长度。

点击另一根线，从第一个网减去那个网的长度。对我来说，我得到21.1484毫米- 18.0616毫米= 3.0868毫米。这在USB数据线的允许偏差3.81 mm范围内，所以我应该没问题。

注意： 我还没有测试这个板，我没有一个足够好的示波器来验证我的走线是否良好。如果您有一个可测量480MHz的示波器，可以使用“眼图”或“眼模式”来进行测试。

要修复不匹配的长度，可以使用差分对的走线》调整偏差工具。启动工具，点击净长度较短的走线段。右键单击并选择长度调优设置…打开调优选项。

在大多数情况下，你会希望偏差为0。请随意调整其他参数，以满足您的PCB制造要求。单击OK。

沿着您希望调优的走线移动鼠标，当工具试图找出如何增加较短的轨迹的长度时，您应该会看到蛇形路径出现。

注意：在上面的例子中，我假设我使用0.8毫米厚的PCB与0.003英寸（0.0762毫米）的线间距。这使得我可以在演示中使用更薄的数据线，因为工具与我实际电路板上的超宽走线不兼容。

你通常想要蛇形部分被添加到更接近不匹配发生的地方（对我来说，这是更接近Hirose连接器，因为路径通常更直靠近USB连接器）。工具还会告诉你添加的东西是否修复了偏差。

单击“接受路径修改”。

注意，如果您正在与一个大型的并行总线（超过2数据行），您可以使用“走线”》“调整单走线长度”来添加蛇形走线到较短的走线，使这些走线的最终长度与最长的数据线长度一致。

编辑：jq