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关于高速DSP系统中PCB板可靠性设计方案的探究
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2017-10-20
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引言
由于微电子技术的高速发展，由IC芯片构成的数字电子系统朝着规模大、体积小、速度快的方向飞速发展，而且发展速度越来越快。新器件的应用导致现代EDA设计的电路布局密度大，而且信号的频率也很高，随着高速器件的使用，高速DSP（数字信号处理） 系统设计会越来越多，处理高速DSP应用系统中的信号问题成为设计的重要问题，在这种设计中，其特点是系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断增加，其PCB印制板的设计表现出与低速设计截然不同的行为特点，即出现信号完整性问题、干扰加重问题、电磁兼容性问题等等。
这些问题能导致或者直接带来信号失真，定时错误，不正确数据、地址和控制线以及系统错误甚至系统崩溃，解决不好会严重影响系统性能，并带来不可估量的损失。解决这些问题的方法主要靠电路设计。因此PCB印制板的设计质量相当重要，它是把最优的设计理念转变为现实的惟一途径。下面讨论针对在高速DSP系统中PCB板可靠性设计应注意的若干问题。
电源设计
高速DSP系统PCB板设计首先需要考虑的是电源设计问题。在电源设计中，通常采用以下方法来解决信号完整性问题。
考虑电源和地的去耦
随着DSP工作频率的提高，DSP和其他IC元器件趋向小型化、封装密集化，通常电路设计时考虑采用多层板，建议电源和地都可以用专门的一层，且对于多种电源，例如DSP的I/O电源电压和内核电源电压不同，可以用两个不同的电源层，若考虑多层板的加工费用高，可以把接线较多或者相对关键的电源用专门的一层，其他电源可以和信号线一样布线，但要注意线的宽度要足够。
无论电路板是否有专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加一定的并且分布合理的电容。为了节省空间，减少通孔数，建议多使用贴片电容。可把贴片电容放在PCB板背面即焊接面，贴片电容到通孔用宽线连接并通过通孔与电源、地层相连。
考虑电源分布的布线规则
分开模拟和数字电源层
高速高精度模拟元件对数字信号很敏感。例如，放大器会放大开关噪声，使之接近脉冲信号，所以在板上模拟和数字部分，电源层一般是要求分开的。
隔离敏感信号
有些敏感信号（如高频时钟） 对噪声干扰特别敏感，对它们要采取高等级隔离措施。高频时钟（20MHz以上的时钟，或翻转时间小于5ns的时钟）必须有地线护送，时钟线宽至少10mil，护送地线线宽至少20mil，高频信号线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触，而且每5cm 打过孔与地层连接;时钟发送侧必须串接一个22Ω～220Ω的阻尼电阻。可避免由这些线带来的信号噪声所产生的干扰。
软、硬件抗干扰设计
一般高速DSP应用系统PCB板都是由用户根据系统的具体要求而设计的，由于设计能力、实验室条件有限，如不采取完善、可靠的抗干扰措施，一旦遇到工作环境不理想、有电磁干扰就会导致DSP程序流程紊乱，当DSP正常工作代码不能恢复时，将出现跑飞程序或死机现象，甚至会损坏某些元器件。应注意采取相应的抗干扰措施。
硬件抗干扰设计
硬件抗干扰效率高，在系统复杂度、成本、体积可容忍的情况下，优先选用硬件抗干扰设计。常用的硬件抗干扰技术可归纳为以下几种：
（1） 硬件滤波：RC 滤波器可以大大削弱各类高频干扰信号。如可以抑制“毛刺”干扰。
（2） 合理接地：合理设计接地系统，对于高速的数字和模拟电路系统来说，具有一个低阻抗、大面积的接地层是很重要的。地层既可以为高频电流提供一个低阻抗的返回通路，而且使EMI、RFI变得更小，同时还对外部干扰具有屏蔽作用。PCB 设计时把模拟地和数字地分开。
（3） 屏蔽措施：交流电源、高频电源、强电设备、电弧产生的电火花，会产生电磁波，成为电磁干扰的噪声源，可用金属壳体把上述器件包围起来，再接地，这对屏蔽通过电磁感应引起的干扰非常有效。
（4） 光电隔离：光电隔离器可以有效地避免不同电路板间的相互干扰，高速的光电隔离器常用于DSP和其他设备（如传感器、开关等） 的接口。
软件抗干扰设计
软件抗干扰有硬件抗干扰所无法取代的优势，在DSP 应用系统中还应充分挖掘软件的抗干扰能力，从而将干扰的影响抑制到最小。下面给出几种有效的软件抗干扰方法。
由于微电子技术的高速发展，由IC芯片构成的数字电子系统朝着规模大、体积小、速度快的方向飞速发展，而且发展速度越来越快。新器件的应用导致现代EDA设计的电路布局密度大，而且信号的频率也很高，随着高速器件的使用，高速DSP（数字信号处理） 系统设计会越来越多，处理高速DSP应用系统中的信号问题成为设计的重要问题，在这种设计中，其特点是系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断增加，其PCB印制板的设计表现出与低速设计截然不同的行为特点，即出现信号完整性问题、干扰加重问题、电磁兼容性问题等等。
这些问题能导致或者直接带来信号失真，定时错误，不正确数据、地址和控制线以及系统错误甚至系统崩溃，解决不好会严重影响系统性能，并带来不可估量的损失。解决这些问题的方法主要靠电路设计。因此PCB印制板的设计质量相当重要，它是把最优的设计理念转变为现实的惟一途径。下面讨论针对在高速DSP系统中PCB板可靠性设计应注意的若干问题。
电源设计
高速DSP系统PCB板设计首先需要考虑的是电源设计问题。在电源设计中，通常采用以下方法来解决信号完整性问题。
考虑电源和地的去耦
随着DSP工作频率的提高，DSP和其他IC元器件趋向小型化、封装密集化，通常电路设计时考虑采用多层板，建议电源和地都可以用专门的一层，且对于多种电源，例如DSP的I/O电源电压和内核电源电压不同，可以用两个不同的电源层，若考虑多层板的加工费用高，可以把接线较多或者相对关键的电源用专门的一层，其他电源可以和信号线一样布线，但要注意线的宽度要足够。
无论电路板是否有专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加一定的并且分布合理的电容。为了节省空间，减少通孔数，建议多使用贴片电容。可把贴片电容放在PCB板背面即焊接面，贴片电容到通孔用宽线连接并通过通孔与电源、地层相连。
考虑电源分布的布线规则
分开模拟和数字电源层
高速高精度模拟元件对数字信号很敏感。例如，放大器会放大开关噪声，使之接近脉冲信号，所以在板上模拟和数字部分，电源层一般是要求分开的。
隔离敏感信号
有些敏感信号（如高频时钟） 对噪声干扰特别敏感，对它们要采取高等级隔离措施。高频时钟（20MHz以上的时钟，或翻转时间小于5ns的时钟）必须有地线护送，时钟线宽至少10mil，护送地线线宽至少20mil，高频信号线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触，而且每5cm 打过孔与地层连接;时钟发送侧必须串接一个22Ω～220Ω的阻尼电阻。可避免由这些线带来的信号噪声所产生的干扰。
软、硬件抗干扰设计
一般高速DSP应用系统PCB板都是由用户根据系统的具体要求而设计的，由于设计能力、实验室条件有限，如不采取完善、可靠的抗干扰措施，一旦遇到工作环境不理想、有电磁干扰就会导致DSP程序流程紊乱，当DSP正常工作代码不能恢复时，将出现跑飞程序或死机现象，甚至会损坏某些元器件。应注意采取相应的抗干扰措施。
硬件抗干扰设计
硬件抗干扰效率高，在系统复杂度、成本、体积可容忍的情况下，优先选用硬件抗干扰设计。常用的硬件抗干扰技术可归纳为以下几种：
（1） 硬件滤波：RC 滤波器可以大大削弱各类高频干扰信号。如可以抑制“毛刺”干扰。
（2） 合理接地：合理设计接地系统，对于高速的数字和模拟电路系统来说，具有一个低阻抗、大面积的接地层是很重要的。地层既可以为高频电流提供一个低阻抗的返回通路，而且使EMI、RFI变得更小，同时还对外部干扰具有屏蔽作用。PCB 设计时把模拟地和数字地分开。
（3） 屏蔽措施：交流电源、高频电源、强电设备、电弧产生的电火花，会产生电磁波，成为电磁干扰的噪声源，可用金属壳体把上述器件包围起来，再接地，这对屏蔽通过电磁感应引起的干扰非常有效。
（4） 光电隔离：光电隔离器可以有效地避免不同电路板间的相互干扰，高速的光电隔离器常用于DSP和其他设备（如传感器、开关等） 的接口。
软件抗干扰设计
软件抗干扰有硬件抗干扰所无法取代的优势，在DSP 应用系统中还应充分挖掘软件的抗干扰能力，从而将干扰的影响抑制到最小。下面给出几种有效的软件抗干扰方法。
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