隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號速度的不斷提高，而信號的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯誤，分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢?

　　硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當(dāng)多，這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設(shè)計(jì)等5個部分。

　　1 特性阻抗

　　近年來，在數(shù)字信號速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時，還應(yīng)考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問題。這樣，原來簡單的導(dǎo)線，逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類的復(fù)雜傳輸線了。

　　在高頻情況下，印制板(PCB)上傳輸信號的銅導(dǎo)線可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導(dǎo)線路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應(yīng)，會得到以下公式：

　　式中Z0即特性阻抗，單位為Ω。

　　PCB的特性阻抗Z0與PCB設(shè)計(jì)中布局和走線方式密切相關(guān)。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。

　　在PCB的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有4種：表面微帶線(surface microstrip)、嵌入式微帶線(embedded microstrip)、帶狀線(stripline)、雙帶線(dual-stripline)。下面只說明表面微帶線結(jié)構(gòu)，其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　Z0的計(jì)算公式如下：

　　對于差分信號，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：

　　公式中：

　　——PCB基材的介電常數(shù);

　　b——PCB傳輸導(dǎo)線線寬;

　　d1——PCB傳輸導(dǎo)線線厚;

　　d2——PCB介質(zhì)層厚度;

　　D——差分線對線邊沿之間的線距。

　　從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個參數(shù)，可以得到相應(yīng)的特性阻抗。

　　2 信號完整性(SI)

　　SI是指信號在電路中以正確的時序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中的信號能夠以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當(dāng)信號不能正常響應(yīng)時，就出現(xiàn)了信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性問題主要表現(xiàn)為5個方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲和電磁兼容性。

　　延遲是指信號在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個傳輸延遲。信號的延遲會對系統(tǒng)的時序產(chǎn)生影響。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。

　　當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時，信號到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號的過沖和下沖。如果信號在傳輸線上來回反射，就會產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。

　　由于PCB板上的任何兩個器件或?qū)Ь�之間都存在互容和互感，因此，當(dāng)一個器件或一根導(dǎo)線上的信號發(fā)生變化時，其變化會通過互容和互感影響其它器件或?qū)Ь�，即串?dāng)_。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。

　　信號質(zhì)量表現(xiàn)為幾個方面。對于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時間、下降時間等，在此就不作詳細(xì)介紹了。下面主要介紹幾個重要概念。

　�、俑唠娖綍r間(high time)，指在一個正脈沖中高于Vih_min部分的時間。

　　②低電平時間(low time)，指在一個負(fù)脈沖中低于Vil_max部分的時間，如圖3所示。

　�、劢�立時間(setup time)，指一個輸入信號(input signal)在參考信號(reference signal)到達(dá)指定的轉(zhuǎn)換前必須保持穩(wěn)定的最短時間。

　�、鼙３謺r間(hold time)，是數(shù)據(jù)在參考引腳經(jīng)過指定的轉(zhuǎn)換后，必須穩(wěn)定的最短時間，如圖4所示。

　�、萁�立時間裕量(setup argin)，指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立時間與接收端芯片所要求的最小建立時間的差值。

　�、薇３謺r間裕量(hold argin)，指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保持時間與接收端芯片所要求的最小保持時間之間的差值。

　�、邥r鐘偏移(clock skew)，指不同的接收設(shè)備接收到同一時鐘驅(qū)動輸出之間的時間差。

　�、郥co(time clock to output，時鐘延遲)，是一個定義包括一切設(shè)備延遲的參數(shù)，即Tco=內(nèi)部邏輯延遲 (internal logic delay) + 緩沖器延遲(buffer delay)。

　�、嶙畲蠼�(jīng)歷時間(Tflightmax)，即final switch delay，指在上升沿，到達(dá)高閾值電壓的時間，并保持高電平之上，減去驅(qū)動所需的緩沖延遲。

　�、庾钚〗�(jīng)歷時間(Tflightmin)，即first settle delay，指在上升沿，到達(dá)低閾值電壓的時間，減去驅(qū)動所需的緩沖延遲。

　　時鐘抖動(clock jitter)，是由每個時鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動而引起的。一般由于PLL在時鐘驅(qū)動時的不穩(wěn)定性引起，同時，時鐘抖動引起了有效時鐘周期的減小。

　　串?dāng)_(crosstalk)。鄰近的兩根信號線，當(dāng)其中的一根信號線上的電流變化時(稱為aggressor，攻擊者)，由于感應(yīng)電流的影響，另外一根信號線上的電流也將引起變化(稱為victim，受害者)。

◆ 傳輸線效應(yīng)分析：阻抗、損耗、回流……

5 熱設(shè)計(jì)

　　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。

　　(1)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(diǎn)溫度的升高。隨著結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)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�？紤]集成芯片的熱量傳遞，可以使用圖5描述的溫度計(jì)算模型。

　　由上所述，可推導(dǎo)出

　　Tc=Tj-P× RJC

　　也就是說，當(dāng)Tc實(shí)測值小于根據(jù)數(shù)據(jù)手冊所提供數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)思想和方法，目前已經(jīng)在國外的公司得到實(shí)踐和發(fā)展，但是國內(nèi)這方面的研究和實(shí)踐還很少。該設(shè)計(jì)思想在我們公司實(shí)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。

.　　◆ 反射分析：過沖、振鈴……

　　◆ 時序分析：延時、抖動、SKEW……

　　◆ 串?dāng)_分析

　　◆ 噪聲分析：SSN、地彈、電源下陷……

　　◆ PI設(shè)計(jì)：確定如何選擇電容、電容如何放置、PCB合適疊層方式……

　　◆ PCB、器件的寄生參數(shù)影響分析

　　◆ 端接技術(shù)等

　　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(diǎn)，是信號線上阻抗突然改變的點(diǎn)。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(diǎn)是一個斷點(diǎn)，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(jì)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?yàn)�，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(jì)。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(shí)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)。

　　④ 通過PCB分層堆疊設(shè)計(jì)控制EMI輻射。PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)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。

　　⑤ 降低EMI的機(jī)箱設(shè)計(jì)。實(shí)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。

　�、� 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(jì)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。