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PCB设计的十大误区(二)

平常大家耳熟能详的规则来自于什么地方?

1、 公司前辈告诉你的设计经验

2、 网络上流传的设计方法,注意事项

3、 某些实力雄厚的大公司的成功经验,被行业效仿

4、 芯片手册的设计指南

5、 ……

上面这些来源里面,芯片手册的设计指南应该是最权威的,但是真正的设计工程师都还需要打个问号,更何况其他设计规则。

其实统计一下我们高速数字电路设计规则,很多来自于微波射频领域。比如大家很熟悉的圆弧拐角,走线包地……但是微波射频的规则,并不一定完全适用于高速数字电路。还有很多设计规则,来自于双面板时代的低速数字电路设计,典型的就是电源必须从滤波电容进入芯片管脚。当然,模拟电路设计也给了我们很多启发,所有的电源都想加个磁珠来隔离一下,地也想分割一下来隔离。

诸如此类的规则很多,大家习惯了不经考虑就直接采用,但是很多时候,我们真的要多问一句为什么。然后还要知道这些规则后面的原理,以及规则起作用的条件。有的事情多想一想,其实就能很清楚。

所以看到这里,大家可以提前思索一下这些问题,也算是本期高速先生的提问,大家可以尽情发挥:

1、圆弧拐角貌似挺有道理,圆弧的阻抗变化小,45度角或者直角拐角会带来阻抗不连续。那么问题来了,常规4、5mil的走线,圆弧拐角和直角拐角带来的阻抗差异,需要多少G的信号才能感受到?

2、电源必须从滤波电容进入芯片管脚,上一期有人答复说这个是正确的规则呀!电源经过滤波电容滤波之后进入芯片,这个假定是滤波电容可以滤除大部分的电源噪声。那么,常用的0.1U电容,大约能滤除哪个频率的噪声?可以从常见的DDR3-1600系统来分析,现在的电源供电网络设计,噪声的频带有多宽?分布范围是多大?该怎样考虑现在多层板时代滤波电容的布局布线原则?

3、同样的1.5V数字电源,能看到很多设计工程师喜欢给不同芯片的电源加上磁珠,于是我们就能看到1.5V1,1.5V2……因为这样设计,好像每个芯片的电源供电都会比较干净,不会互相干扰。问题是,电源种类越来越多,分割越来越碎,我们怎么考虑信号跨电源分割问题?怎么平衡电源和地之间平板面积大小的影响。更重要的是,你知道在多层板的情况下,电容呈现全局特性吗?也就是说为芯片1添加的电容,对芯片2也会起作用。那么,什么情况下电容会呈现全局特性。

4、为什么DDR3设计的时候,我们要求同组DQ和DQS之间做到5mil等长?从时序计算和仿真来看,数据组通常都有十几甚至几十ps以上的裕量,那就是上百Mil等长关系呀?

5、SDRAM,好遥远的技术了,才133M的速率,那不是手到擒来?问我该怎么考虑等长?简单,按照DDR3的设计原则,地址、数据、时钟等长就好了!什么,没有找到DQS?那就所有的数据全部等长吧!

我绕,我绕,我是资深的绕等长工程师……什么,没听过绕等长工程师,你落伍了吧!

6、“听XX公司的EMC工程师说,原来板子EMC测试有问题,把所有布线层铺上地铜皮就通过了。” “真的呀,好像很有道理哈,EMC就是要用地来屏蔽,然后加电容”……

然后我们的板子,布线完成了,不管3721,沿着板框画一个地铜皮,然后自动避让,大功告成,软件功能强大哈!“什么,板子层数大多,铺铜之后修改布线的时候机器反应很慢?

升级,不就是换电脑嘛”“Gerber文件数据太多,Gerber文件几百M上G了,邮件发不出去?拷个U盘,QQ传,云盘,办法不要太多”!有想过,这样铺地有什么负面的作用吗?

7、电容嘛,多多益善!电容越多,电源效果越好!什么,帮我省电容数量,不用不用,电容才几分钱呀,加,越多越好,每个电源管脚最好能加两个电容……

可是,这些电容真的有作用吗?电容真的没有坏处吗?占了板上宝贵的布局布线空间,带来贴片效率低下,小电容贴装难度大,物料种类和数量带来的生产成本,板子容性过大导致的启动问题。有没有看到行业里面关注技术的同行,他们板上的电容数量只有你的三分之一,四分之一,但是电源效果比你的更好呢?

8、更换高速板材一定就是钱的问题吗?有没有可能换了高速板材,电气性能反而下降的情况?

好多好多我们熟视无睹的设计规则,大家从来没有静下心来想想,为什么要这样做,这样做到底有多少好处。很多时候大家认为“过设计”没有什么坏处,至于花更多的时间精力,反正现在不管是公司内部流程,还是外协外包,PCB设计一般独立出来,不是硬件原理工程师亲自动手了,花时间精力是别人的事情,这是我看到很多的想法。殊不知,PCB设计是一个整体协调的艺术,在一些无关大局的地方投入过多精力,甚至占用了板上的布局布线空间资源,一定会导致其他更重要的地方被忽视。并且有很多“过设计”思想,本身就是错误的,会带来很大的恶果。我们要避免这些过设计,就需要在我们理解这些设计规则方面,做到真正知其然也知其所以然。了解规则后面本质的原因,有助于我们合理利用这些规则。

本系列的“高速先生”文章,就是带着大家一起去看看这些规则的本质。

预告:下一章节我们先来讨论滤波电容的设计,看看电源是不是必须从滤波电容进入芯片管脚,看看滤波电容该怎么布局布线。

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