3 電源完整性PI

　　PI的提出，源于當(dāng)不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進(jìn)行SI分析時所帶來的巨大誤差，相關(guān)概念如下。

　　◆ 電子噪聲，指電子線路中某些元器件產(chǎn)生的隨機(jī)起伏的電信號。

　　◆ 地彈噪聲。當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號同步進(jìn)行切換時（如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等），由于電源線和地線上存在阻抗，會產(chǎn)生同步切換噪聲，在地線上還會出現(xiàn)地平面反彈噪聲（簡稱地彈）。SSN和地彈的強(qiáng)度也取決于集成電路的I/O特性、PCB板電源層和地平面層的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布線方式。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時開關(guān)器件數(shù)目的增加均會導(dǎo)致地彈的增大。

　　◆ 回流噪聲。只有構(gòu)成回路才有電流的流動，整個電路才能工作。這樣，每條信號線上的電流勢必要找一個路徑，以從末端回到源端。一般會選擇與之相近的平面。由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當(dāng)數(shù)字信號走到模擬地線區(qū)域時，就會產(chǎn)生地平面回流噪聲。

　　◆ 斷點，是信號線上阻抗突然改變的點。如用過孔（via）將信號輸送到板子的另一側(cè)，板間的垂直金屬部分是不可控阻抗，這樣的部分越多，線上不可控阻抗的總量就越大。這會增大反射。還有，從水平方向變?yōu)榇怪狈较虻?0°的拐點是一個斷點，會產(chǎn)生反射。如果這樣的過孔不能避免，那么盡量減少它的出現(xiàn)。

　　在一定程度上，我們只能減弱因電源不完整帶來的系列不良結(jié)果，一般會從降低信號線的串繞、加去耦電容、盡量提供完整的接地層等措施著手。

　　4 EMC

　　EMC包括電磁干擾和電磁抗干擾兩個部分。

　　一般數(shù)字電路EMS能力較強(qiáng)，但是EMI較大。電磁兼容技術(shù)的控制干擾，在策略上采用了主動預(yù)防、整體規(guī)劃和“對抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的方針。

　　主要的EMC設(shè)計規(guī)則有：

　?、?20H規(guī)則。PowerPlane（電源平面）板邊緣小于其與GroundPlane（地平面）間距的20倍。

　?、?接地面處理。接地平面具有電磁學(xué)上映象平面（ImagePlane） 的作用。若信號線平行相鄰于接地面，可產(chǎn)生映像電流抵消信號電流所造成的輻射場。PCB上的信號線會與相鄰的接地平面形成微波工程中常見的Micro-strip Line（微帶線）或Strip Line（帶狀線）結(jié)構(gòu)，電磁場會集中在PCB的介質(zhì)層中，減低電磁輻射。

　　因為，Strip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些輻射較大的走線，如時鐘線等，最好走成Strip Line結(jié)構(gòu)。

　?、?混合信號PCB的分區(qū)設(shè)計。第一個原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個原則是系統(tǒng)只采用一個參考面。相反，如果系統(tǒng)存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線；而如果信號不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個大的環(huán)狀天線。對于實在必須跨區(qū)的情況，需要通過，在兩區(qū)之間加連接高頻電容等技術(shù)。

　?、?通過PCB分層堆疊設(shè)計控制EMI輻射。PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計技巧，通過合適的疊層也可以降低EMI。

　　從信號走線來看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對于電源，好的分層策略應(yīng)該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層＂策略。

　?、?降低EMI的機(jī)箱設(shè)計。實際的機(jī)箱屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱及觀察要求，其上一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。一般來說，孔縫泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率及孔的深度。

　　⑥ 其它技術(shù)。在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。為了控制共模EMI，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個電源層必須是一個設(shè)計相當(dāng)好的電源層的配對。問題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率（即IC上升時間的函數(shù)）。通常，電源分層的間距是0.5mm（6mil），夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。

　　5 熱設(shè)計

　　電子元件密度比以前高了很多，同時功率密度也相應(yīng)有了增加。由于電子元器件的性能會隨溫度發(fā)生變化，溫度越高其電氣性能會越低。

　?。?）數(shù)字電路散熱原理

　　半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量來源于芯片的功耗，熱量的累積必定導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)點溫度的升高。隨著結(jié)點溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會下降，因此芯片廠家都規(guī)定了半導(dǎo)體器件的結(jié)點溫度。在高速電路中，芯片的功耗較大，在正常條件下的散熱不能保證芯片的結(jié)點溫度不超過允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問題。

　　在通常條件下，熱量的傳遞通過傳導(dǎo)、對流、輻射3種方式進(jìn)行。

　　散熱時需要考慮3種傳熱方式。例如使用導(dǎo)熱率好的材料，如銅、鋁及其合金做導(dǎo)熱材料，通過增加風(fēng)扇來加強(qiáng)對流，通過材料處理來增強(qiáng)輻射能力等。

　　簡單熱量傳遞模型：熱量分析中引入一個熱阻參數(shù)，類似于電路中的電阻。如果電路中的電阻計算公式為R=ΔE/I，則對應(yīng)的熱阻對應(yīng)公式為R=Δt/P（P表示功耗，單位W；Δt表示溫差，單位℃）。熱阻的單位為℃/W，表示功率增加1W時所引起的溫升。考慮集成芯片的熱量傳遞，可以使用圖5描述的溫度計算模型。

　　由上所述，可推導(dǎo)出

　　Tc＝Tj－P× RJC

　　也就是說，當(dāng)Tc實測值小于根據(jù)數(shù)據(jù)手冊所提供數(shù)據(jù)計算出的最大值時，芯片可正常工作。

　　（2）散熱處理

　　為了保證芯片能夠正常工作，必須使Tj不超過芯片廠家提供的允許溫度。根據(jù)Tj=Ta+P×R可知，如果環(huán)境溫度降低，或者功耗減少、熱阻降低等都能夠使Tj降低。實際使用中，對環(huán)境溫度的要求可能比較苛刻，功耗降低只能依靠芯片廠家技術(shù)，所以為了保證芯片的正常工作，設(shè)計人員只能在降低熱阻方面考慮。

　　結(jié) 語

　　以上提到的高速單片機(jī)設(shè)計思想和方法，目前已經(jīng)在國外的公司得到實踐和發(fā)展，但是國內(nèi)這方面的研究和實踐還很少。該設(shè)計思想在我們公司實踐、摸索，提高了產(chǎn)品可靠性。在這里推薦給各位同行，期望共同探討。