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高速PCB設計指南之二：避免混合訊號系統的設計陷阱
2015/03/07
Levi
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摘要:要想成功的運用現在的SOC，板級和系統級設計師必須了解如何最好地放置元件，布置走線，以及利用保護元件。
它們被稱為數碼式蜂窩電話，但其中所包含的模擬功能，比較起所謂的模擬蜂窩電話之前度品種還要多。事實上，需要處理連續狀態值（例如語音，影像，溫度，壓力等）的任何系統，都會有它的模擬功能，那怕是在其名字里出現數碼式這個詞語。今天的多媒體PC也毫無例外，它們有著語音和影像的輸入和輸出，對發熱的中央處理機進行迫切的溫度監示，以及高性能調制解調器，這些系統同樣地，其混合訊號功能清單上的項目也愈來愈多。
兩種系統的趨勢對於進行混合設計的人們來說，又帶來了新的挑戰。便攜式通訊和運算器件的體積重量不斷減少，但又不斷地推高功能。而桌面系統又不斷提高中央處理機能力和通訊周邊的速度。肯定的是，在設計現代的數碼電路板同時又要避免振鈴、噪聲引致的差錯，和地電位跳動等問題，實在相當困難的。但是，當你添加那些易受噪聲影響的模擬訊號線路逼近於方波激勵的數碼式數據線路，問題更為嚴重。
在芯片級，現時的SOC（芯片上的系統）需要有邏輯電路、模擬電路，以及熱動力學設計方面的專才。要成功地使用這些IC，板級和系統級設計師需要了解如何最好地放置元件，布置走線，以及利用保護元件。
本文講述的是現時混合訊號系統設計中的常見陷阱，并提供一些指引以清除或移開它們。不過，在探討特定問題和作出提議之前，先詳細看看系統設計的兩種潮流—小型化和高速化—如何影響這些問題，會有很大的幫助。
1、 “高速化”趨勢
將1999年中檔PC的規格與五年前的相比較，它的中央處理機速度提高了大約一個數量級，而由CPU消耗的電流也提高了約一個數量級。當你將高速度和大電流結合一起，V=L（di/dt）關系式中的“di/dt”部份大幅地提高。事實上，電路板中半寸長的地線可能會感應起超過1伏特的電壓於其上。對於轉換器來說，地電位參考線會感應電壓的話，可能導致運作停止。
為要達致這些更高的速度，IC在設計和制造上都采用深度次微米尺寸（例如0.35μm）。這雖然縮減了幾何尺寸而得到快得多的性能，但也會令這些器件更容易招致鎖上（latch-up）及由瞬變引起的損害。而且，這些器件也要求更緊逼的能源管理以符合愈來愈嚴格的允許電壓范圍。
現時的10／100Ethernet網絡介面卡（NIC）就是良好的例子，原來的10Base－T芯片是大尺寸的CMOS器件，對於過電壓損壞相對地是不那麼敏感的。然而，新型的芯片采用了0.35μm的線寬，對於鎖上以及因瞬變而失效非常敏感—因電能引致和雷電引致的瞬變。
現代的服務器，具有SMP（對稱多處理能力）的體系結構，以及CPU以500MHz或以上的頻率來運作，就是能源分布挑戰方面的好例子。你不可以簡單地建造一個5V電源并把布線引到相應的總線。以500MHz上限達20A或30A的電流開關，它要求於每個使用點（point-of-use）實際上有獨立的轉換器，還加上一個更大的一級電壓源對這些轉換器的全部進行供電。
趨勢要求具有熱交換（hotswap）的能力，意味著你要能做到在現用系統里插入或除下電路板。這樣做也是預告會有瞬變產生的。如此一來，無論插入的板抑或主板都必須有適當的保護作用。
無論小型化或高速化的趨勢都有其獨特的問題。例如，大電流能源分布對於小型、便攜、手持式設備來說，就不是個大問題。而對於桌面電腦和服務器來說，延長的電池壽命也不會成為問題。不過，鎖上和瞬變引致的損壞，在上述兩方面都成為問題。
2、 “小型化”的趨勢
拿1999年的蜂窩電話與五年前的產品作個比較，芯片數目少得很多，重量和體積大幅減少，電池壽命大幅延長。在這個進程中，主要因素是混合訊號IC解決方案中有很大進展。不過，隨著芯片幾何尺寸的縮減，電路板上布線的間距趨近，物理學的規律開始呈現出來。
并行的走線愈來愈接近產生了愈來愈大寄生電容耦合，而這簡直是和距離平方成反比關系的結果，以前只有少數幾根走線的空間，現在納入了許多走線，結果，甚至是不相鄰的走線之間的電容性耦合也會構成問題。
蜂窩電話，由其性質所決定，是被人拿著使用的設備。在低溫度的日子里，你正在地毯上走來走去，然後拿起蜂窩電話，接著“啪”—這就會把一個高電壓，靜電放電（ESD）脈沖傳到這個設備那里。如果沒有適當的ESD保護，一個或多個IC有可能受到損壞。不過，增添外部元件來保護ESD的破壞又會與小型化趨勢相違背。
另一個問題是能源管理，蜂窩電話用戶希望電池的兩次充電之間隔愈長愈好。這意味著DC-至-DC轉換器必須是很高效率的。開關技術是它的答案，但在此情況下，轉換器也成了它自己的潛在噪聲源。所以必須小心選擇、放置轉換器，也要小心進行互連。還有，由於體積是不可忽視的因素，應該選擇可以采用物理尺寸最小的無源元件的那種部件。如果采用線性穩壓器的話，應該挑選超低壓差式的，可讓輸出維持於最小電池電壓。這就能讓電池不再提供足夠電能之前盡行地放電。
3、鎖上和瞬變
對深度次微米IC從線寬的瞬變惡化了關於過電壓狀態的敏感性，意味著你要聰明一點，對這些器件進行保護，但同時又不要影響它們的性能。
在一個保護輸入里，任何保護元件於正常運作下都必須呈現為一個高阻抗電路。它必須加載盡可能小的電容負荷，例如，假定它是對正常輸入訊號加入小小效應的話。不過，在過電壓的一瞬間，那同一個器件必須成為該瞬變電能的主要通路，將它從受保護器件的輸入中引開。還有，保護器件的承受電壓應該高於它保護的引腳上的最大允許電壓。同理，它的箝位電壓要足夠低，以防止受保護器件的損壞，這是由於在瞬變情況下，輸入上的電壓會是保護器件的箝位電壓。
以前，瞬變電壓抑制（TVS）二極管在印刷電路板上有效地將瞬變箝位。傳統的（TVS）二極管是固態PN結器件，低至5V的電壓也工作得很好。它們有快速的響應時間，低的箝位電壓，高的電流浪涌能力—全都是所希望的特性。不過，傳統TVS二極管的問題是低於5V以下會抬起它的頭。在這里，它們所采用的雪崩技術是個障礙。要在5V以下達致Stand-off電壓，要采用高度的摻雜（在1018/cm-3或以上）。這反過來，又會引致更高的電容和漏電電流，兩者都會損害高性能的。傳統的TVS二極管具有電壓相關的電容，隨電壓減少而增加。例如，在5V下，典型的ESD保護二極管會有400pF的結電容。我們可以想像一下，這樣的電容性負載加於100Base－TEthernet發射器或接收器的輸入節點，或加於通用串行總線（USB）輸入，會有甚麼問題。而且，這些正正是最需要進行瞬變保護的那些電路類型。
低于5V電壓的情況下，傳統的TVS二極管并非真正的選項。但這也不是說你再無可選擇的了。由加州伯克萊大學和Semtech公司（加州NewburyPark市）共同開發的一種新技術，提供了一直低至2.8V工作電壓的瞬變和ESD保護。你可以在一系列的TVS器件中去選定一種，具有合適的電容，stand-off電壓，和箝位電壓來符合自己系統的要求。之後，還要考慮應把該器件放在板上的甚麼地方，如何給電路板布線等問題。
在保護通路中的寄生電感會引起高電壓的過沖及令IC損壞。在快速上升時間瞬變的情況尤甚，例如ESD。由ESD感應起的瞬變，據IEC1000-4-2的定義，會在不到1納秒（ns）內到達它的峰值。以走線電感20nH／寸來計算，4份1寸走線自10A脈沖會引起50V的過沖。
你必須考慮所有可能的感應通路，包括地線返回通路，在TVS和保護線路之間的通路，以及由連接器至TVS器件的通路。而且，TVS器件應該盡可能地靠近連接器放置，以便將瞬變耦合到靠近的其他走線。
一塊10／100Ethernet板是需要進行瞬變保護的子系統。在Ethernet交換器和路由器中所用的器件是暴露在高能量，雷電感應瞬變之下的。而所用的深度次微米IC在設計上對過電壓鎖上又是極度敏感的。在典型系統里，每個端口所用的雙絞線對介面由兩個不同的訊號對所組成—一對用於發射器，另一對用於接收器。發射器輸入通常是最容易受到損壞的，在一個線路對中會出現有差異的致命性放電，并且透過變壓器以電容性地耦合到EthernetIC。
有一種情況是，訊號頻率很高（100Mbit/s）而供電電壓又低（典型是3.3V），保護器件必須有很低的容性負載，而其stand-off電壓遠低於5V。還有另一種情況，其中在保護通路中的寄生電感可以導致很大的電壓過沖。為使效率提到最高，電路板的布線應該是，保護器和受保護線路之間的通路必須減至最低，而在RJ45連接器和保護器之間的通路長度也減至最低。
4、熱交換／即插即用
越來越多的系統其設計是，在系統仍然加電期間，允許插板或插頭隨時插入和拔除。那些插板或插頭會插入到或拔除自帶有訊號，電源線和地線的插座，而且有很高機會產生瞬變。此外，該系統還能夠動態地調整其電源，以適應突然增加或減少的電流負載。
蜂窩電話或其他可攜電子設備會無心地帶電期間插入到或拔除自充電的系統。這同樣也會產生瞬變。在這里，除了瞬變保護之外，還需要有能源管理以適應突然增加或減少的電流負載。
USB介面的設計，是給桌面系統與周邊設備之間，提高一種高速的串行介接能力。還有，UB介面有一根電壓供電線，可用來給連接著的周邊設備供電。如果沒有負載插入到USB插座里，它就是個開路的插座。由人體靜電對該插座感應的ESD脈沖放電，會導通至電路板上，并會輕易地損壞USB控制器。
你必須確保這種高速總線里，無論數據線抑或電源線都采取了保護。并且，盡管能源管理已被寫入到USB的規格中，但ESD的保護卻還沒有。
TVS器件可以用來提供適當的ESD保護。元件的放置和通路的長度仍然是重要的設計問題。同樣的排布指南應該仔細參詳。務令TVS和受保護線之間的通路變短，并且務令TVS器件盡可能靠近端口連接器。
按照USB規格的需要，應該采用固體電路能源分發開關器進行能源管理。在PC主機中，它們提供短路電流保護和差錯報告給控制器IC。在USB周邊設備中，它們用來進行端口切換，差錯報告和供電電壓斜降控制。
5、 能源分配
如果將PC的電流量變化與10年前的相比，增幅之大實在令人驚詫。再加上時鐘頻率的大幅增加，使得PC和服務器處於極高的di/dt環境之下。例如，若L為2.5μH及C等於4×1500μF，在負載上的瞬變其數量級為200mV峰對峰值，恢復時間50微秒。使問題更復雜的還有令CPU進入睡眠之類的模式，然後迅速地喚醒起來，所產生的瞬變是每微秒20至30A的范圍，因而變成為能源管理上的頭痛問題。
從轉換器觀點來看，di/dt的值左右了對輸出電容的選擇，更特定地是電容的等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。低頻運作的轉換器需要用大的電容量來存儲兩個工作周期之間的電荷，這就要采用電解電容。這些電解電容雖然有很大的電容量，但隨之而來也有大的ESR和ESL，兩者都有違設計者心意的。此外，電解電容體積很大，不適合於表面安裝技術和緊湊的封裝。
有一種代替的辦法可以降低ESR和ESL的值，簡化生產過程，減少實際體積。方法是采用稍高頻率的轉換器，你就可以選擇陶瓷電容來代替電解電容，并且得到上述的優點。同時，藉著采用多相轉換器的方案，你更可將負載需求分擔開來，每個轉換器只需較少的輸入電容，同時又能提供相同總量的電流能力。它的另一個優點是降低了輸入紋波電流。在單相轉換方案中，輸入紋波電流等於輸出的紋波電流之半。由此，對20A系統而言，其輸入紋波電流是10A。但是，對於四相轉換器方案，例如說，就會在這四個轉換器中平分這種輸出電流。現在每個供電為5A，而它們的輸入紋波電流為2A。這就可以采用更小型，更便宜的輸入電容器。
DellComputers公司（德州RoundRock市）替它的高速電腦和服務器系列開發了一種分立式，多相脈寬調制（PWM）控制器和反向DC-to-DC轉換器。其設計是要符合Intel公司的高級PentiumCPU之緊迫電能／能源管理的要求。該電路自此已由Semtech公司應Dell的要求加以集成起來。采取了多相控制器和轉換器的方案之後，你就要特別注意電路板的布線問題。高頻下的大電流開關會影響地平面有電壓的差異。
電路的大電流部份應該先行布線，你應該采用地平面（groundplate），或應該引入隔離或半隔離地平面區域，限制地電流進入特定區域。由輸入電容器和高端及低端驅動器輸出FET形成的回路包含了全部大電流，快速瞬變開關。連接上應寬即寬及應短則短，以減少回路電感。這樣做就會降低電磁干擾（EMI），降低地注入的電流，并將源振鈴減至最小以得到更可靠的門電路開關訊號。
在上述兩個FET接合點與輸出電感器之間的連接，應該是寬的徑跡，同時盡可能地短。輸出電容器應該盡可能靠近負載放置。快速瞬變負載電流是由這個電容器提供的，所以，連接線應該既寬且短，以便把電感和電阻減至最小。
控制器最好置於寧靜地平面區域內，避免輸入電容器和FET回路中的脈沖電流流入這個區域。高低端地電位參考引腳應該返回到極接近控制放大器封裝的地那里。小訊號模擬地和數碼地應該連接到其中一個輸出電容器的地端。決不可以返回到在輸入電容／FET回路內部的地。電流感測電阻回路應該保持盡可能的短。
6、 聰明地工作
雖然上面的例子說明了一些方法，可預知和避免混合訊號系統的某些陷阱，但這決不是巨細無遺的。每個系統都有其自己的挑戰事項，而每個設計師都有其獨特的障礙要跳越。無論對付的是更困難的保護，或更嚴格的能源管理，選擇恰當的元件是首先進行的事情。在挑戰轉換器，轉換器控制器和TVS保護器件方面，有很廣泛的選擇范圍。把它們放置於電路板上的正確地方就會顯出能源管理和保護方面有效與否的差別。深思熟慮的布線和地平面的配置則是第叁方面的關鍵問題。 用於低壓電路的TVS
電壓低於5V時，傳統的PN結型TVS實際上完全不起作用。不過，有一種增強式穿通二極管（EPD），由加州柏克萊大學和Semtech公司研制出來。
和雪崩式TVS二極管傳統的PN結構不同，這種EPD器件采用了更復雜的n+p+p-n+四層結構。它在p+和P-層采用輕摻雜，防止反向偏置的n+p+結會進入雪崩狀態。
選擇npn結構而不是pnp結構，是因為它有更高的電子遷移率和改進的箝位特性。藉著小心架構制造P-基區，結果得到的器件於2.8V至3.3V電壓范圍內，取得了出色的漏電，箝位和電容特性。
7、飽胃口極大的Pentium
Intel的PentiumⅡ規格里，要求在500ns內電流由5A增高至20A，轉換率為每微秒30A。而SemteckSC1144多相PWM控制器的能力還勝於任務所要求的。它提供了對多達四個反向DC-to-DC轉換器的控制，得到所需的速度和精度。內建的5位元DAC可讓輸出電壓作編程輸出，由1.8至2.05V按50mV增量進行，由20至3.5V按100mV增量進行。
這種多相技術產生了由90度相移分開的四個精確輸出電壓。然後，這四個經數碼式相移的輸出一起求和，以得到所需的輸出電壓和電流容量。
以每個轉換器工作於2MHz來看，設計師可以采用陶瓷電容而非電解電容，并且得到體積小，可表面安裝，以及更低的ESR和ESL的好處。
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高速PCB設計指南之一：PCB基本概念
高速PCB設計指南之三：信號隔離技術
高速PCB設計指南之四：高速數字系統的串音控制
高速PCB設計指南之五：DSP系統的降噪技術
高速PCB設計指南之六：PowerPCB在PCB設計中的應用技術
高速PCB設計指南之七：PCB互連設計中如何降低RF效應
高速PCB設計指南之八：PCB的可靠性設計
高速PCB設計指南之九：如何掌握IC封裝的特性
高速PCB設計指南之十：特性阻抗問題
高速PCB設計指南十一：如何改善可測試性
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