3 电源完整性PI

　　PI的提出，源于当不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差，相关概念如下。

　　◆ 电子噪声，指电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号。

　　◆ 地弹噪声。当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时（如CPU的数据总线、地址总线等），由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声（简称地弹）。SSN和地弹的强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。

　　◆ 回流噪声。只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作。这样，每条信号线上的电流势必要找一个路径，以从末端回到源端。一般会选择与之相近的平面。由于地电平面（包括电源和地）分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。

　　◆ 断点，是信号线上阻抗突然改变的点。如用过孔（via）将信号输送到板子的另一侧，板间的垂直金属部分是不可控阻抗，这样的部分越多，线上不可控阻抗的总量就越大。这会增大反射。还有，从水平方向变为垂直方向的90°的拐点是一个断点，会产生反射。如果这样的过孔不能避免，那么尽量减少它的出现。

　　在一定程度上，我们只能减弱因电源不完整带来的系列不良结果，一般会从降低信号线的串绕、加去耦电容、尽量提供完整的接地层等措施着手。

　　4 EMC

　　EMC包括电磁干扰和电磁抗干扰两个部分。

　　一般数字电路EMS能力较强，但是EMI较大。电磁兼容技术的控制干扰，在策略上采用了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。

　　主要的EMC设计规则有：

　　① 20H规则。PowerPlane（电源平面）板边缘小于其与GroundPlane（地平面）间距的20倍。

　　② 接地面处理。接地平面具有电磁学上映象平面（ImagePlane） 的作用。若信号线平行相邻于接地面，可产生映像电流抵消信号电流所造成的辐射场。PCB上的信号线会与相邻的接地平面形成微波工程中常见的Micro-strip Line（微带线）或Strip Line（带状线）结构，电磁场会集中在PCB的介质层中，减低电磁辐射。

　　因为，Strip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些辐射较大的走线，如时钟线等，最好走成Strip Line结构。

　　③ 混合信号PCB的分区设计。第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线。对于实在必须跨区的情况，需要通过，在两区之间加连接高频电容等技术。

　　④ 通过PCB分层堆叠设计控制EMI辐射。PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧，通过合适的叠层也可以降低EMI。

　　从信号走线来看，好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨着电源层或接地层。对于电源，好的分层策略应该是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层＂策略。

　　⑤ 降低EMI的机箱设计。实际的机箱屏蔽体由于制造、装配、维修、散热及观察要求，其上一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝，必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏。一般来说，孔缝泄漏量的大小主要取决于孔的面积、孔截面上的最大线性尺寸、频率及孔的深度。

　　⑥ 其它技术。在IC的电源引脚附近合理地安置适当容量的电容，可使IC输出电压的跳变来得更快。然而，问题并非到此为止。由于电容呈有限频率响应的特性，这使得电容无法在全频带上生成干净地驱动IC输出所需要的谐波功率。除此之外，电源汇流排上形成的瞬态电压在去耦路径的电感两端会形成电压降，这些瞬态电压就是主要的共模EMI干扰源。为了控制共模EMI，电源层要有助於去耦和具有足够低的电感，这个电源层必须是一个设计相当好的电源层的配对。问题的答案取决于电源的分层、层间的材料以及工作频率（即IC上升时间的函数）。通常，电源分层的间距是0.5mm（6mil），夹层是FR4材料，则每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。显然，层间距越小电容越大。

　　5 热设计

　　电子元件密度比以前高了很多，同时功率密度也相应有了增加。由于电子元器件的性能会随温度发生变化，温度越高其电气性能会越低。

　　（1）数字电路散热原理

　　半导体器件产生的热量来源于芯片的功耗，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高。随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降，因此芯片厂家都规定了半导体器件的结点温度。在高速电路中，芯片的功耗较大，在正常条件下的散热不能保证芯片的结点温度不超过允许工作温度，因此需要考虑芯片的散热问题。

　　在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射3种方式进行。

　　散热时需要考虑3种传热方式。例如使用导热率好的材料，如铜、铝及其合金做导热材料，通过增加风扇来加强对流，通过材料处理来增强辐射能力等。

　　简单热量传递模型：热量分析中引入一个热阻参数，类似于电路中的电阻。如果电路中的电阻计算公式为R=ΔE/I，则对应的热阻对应公式为R=Δt/P（P表示功耗，单位W；Δt表示温差，单位℃）。热阻的单位为℃/W，表示功率增加1W时所引起的温升。考虑集成芯片的热量传递，可以使用图5描述的温度计算模型。

　　由上所述，可推导出

　　Tc＝Tj－P× RJC

　　也就是说，当Tc实测值小于根据数据手册所提供数据计算出的最大值时，芯片可正常工作。

　　（2）散热处理

　　为了保证芯片能够正常工作，必须使Tj不超过芯片厂家提供的允许温度。根据Tj=Ta+P×R可知，如果环境温度降低，或者功耗减少、热阻降低等都能够使Tj降低。实际使用中，对环境温度的要求可能比较苛刻，功耗降低只能依靠芯片厂家技术，所以为了保证芯片的正常工作，设计人员只能在降低热阻方面考虑。

　　结 语

　　以上提到的高速单片机设计思想和方法，目前已经在国外的公司得到实践和发展，但是国内这方面的研究和实践还很少。该设计思想在我们公司实践、摸索，提高了产品可靠性。在这里推荐给各位同行，期望共同探讨。