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高速DSP系統(tǒng)中PCB板可靠性設(shè)計(jì)分析

發(fā)布時(shí)間 :2017-01-03 10:19 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展,新器件的應(yīng)用導(dǎo)致現(xiàn)代EDA設(shè)計(jì)的電路布局密度大,而且信號(hào)的頻率也很高,隨著高速器件的使用,高速DSP(數(shù)字信號(hào)處理) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)越來越多,處理高速DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的信號(hào)問題成為設(shè)計(jì)的重要問題。在這種設(shè)計(jì)中,其特點(diǎn)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、時(shí)鐘速率和電路密集度都在不斷增加,其PCB板的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出與低速設(shè)計(jì)截然不同的行為特點(diǎn),即出現(xiàn)信號(hào)完整性問題、干擾加重問題、電磁兼容性問題等等。
  這些問題能導(dǎo)致或者直接帶來信號(hào)失真,定時(shí)錯(cuò)誤,不正確數(shù)據(jù)、地址和控制線以及系統(tǒng)錯(cuò)誤甚至系統(tǒng)崩潰,解決不好會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能,并帶來不可估量的損失。解決這些問題的方法主要靠電路設(shè)計(jì)。因此PCB板的設(shè)計(jì)質(zhì)量相當(dāng)重要,它是把最優(yōu)的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的惟一途徑。下面討論針對(duì)在高速DSP系統(tǒng)中PCB板可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)注意的若干問題。
 
一、電源設(shè)計(jì)
  高速DSP系統(tǒng)PCB板設(shè)計(jì)首先需要考慮的是電源設(shè)計(jì)問題。在電源設(shè)計(jì)中,通常采用以下方法來解決信號(hào)完整性問題。
  1、考慮電源和地的去耦
  隨著DSP工作頻率的提高,DSP和其他IC元器件趨向小型化、封裝密集化,通常電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用多層板,建議電源和地都可以用專門的一層,且對(duì)于多種電源,例如DSP的I/O電源電壓和內(nèi)核電源電壓不同,可以用兩個(gè)不同的電源層,若考慮多層板的加工費(fèi)用高,可以把接線較多或者相對(duì)關(guān)鍵的電源用專門的一層,其他電源可以和信號(hào)線一樣布線,但要注意線的寬度要足夠。
  無論電路板是否有專門的地層和電源層,都必須在電源和地之間加一定的并且分布合理的電容。為了節(jié)省空間,減少通孔數(shù),建議多使用貼片電容。可把貼片電容放在PCB板背面即焊接面,貼片電容到通孔用寬線連接并通過通孔與電源、地層相連。
  2、考慮電源分布的布線規(guī)則
  分開模擬和數(shù)字電源層
  高速高精度模擬元件對(duì)數(shù)字信號(hào)很敏感。例如,放大器會(huì)放大開關(guān)噪聲,使之接近脈沖信號(hào),所以在板上模擬和數(shù)字部分,電源層一般是要求分開的。
  3、隔離敏感信號(hào)
  有些敏感信號(hào)(如高頻時(shí)鐘) 對(duì)噪聲干擾特別敏感,對(duì)它們要采取高等級(jí)隔離措施。高頻時(shí)鐘(20MHz以上的時(shí)鐘,或翻轉(zhuǎn)時(shí)間小于5ns的時(shí)鐘)必須有地線護(hù)送,時(shí)鐘線寬至少10mil,護(hù)送地線線寬至少20mil,高頻信號(hào)線的保護(hù)地線兩端必須由過孔與地層良好接觸,而且每5cm 打過孔與地層連接;時(shí)鐘發(fā)送側(cè)必須串接一個(gè)22Ω~220Ω的阻尼電阻??杀苊庥蛇@些線帶來的信號(hào)噪聲所產(chǎn)生的干擾。
 
二、軟、硬件抗干擾設(shè)計(jì)
  一般高速DSP應(yīng)用系統(tǒng)PCB板都是由用戶根據(jù)系統(tǒng)的具體要求而設(shè)計(jì)的,由于設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)室條件有限,如不采取完善、可靠的抗干擾措施,一旦遇到工作環(huán)境不理想、有電磁干擾就會(huì)導(dǎo)致DSP程序流程紊亂,當(dāng)DSP正常工作代碼不能恢復(fù)時(shí),將出現(xiàn)跑飛程序或死機(jī)現(xiàn)象,甚至?xí)p壞某些元器件。應(yīng)注意采取相應(yīng)的抗干擾措施。
  1、硬件抗干擾設(shè)計(jì)
  硬件抗干擾效率高,在系統(tǒng)復(fù)雜度、成本、體積可容忍的情況下,優(yōu)先選用硬件抗干擾設(shè)計(jì)。常用的硬件抗干擾技術(shù)可歸納為以下幾種:
  (1) 硬件濾波:RC 濾波器可以大大削弱各類高頻干擾信號(hào)。如可以抑制“毛刺”干擾。
  (2) 合理接地:合理設(shè)計(jì)接地系統(tǒng),對(duì)于高速的數(shù)字和模擬電路系統(tǒng)來說,具有一個(gè)低阻抗、大面積的接地層是很重要的。地層既可以為高頻電流提供一個(gè)低阻抗的返回通路,而且使EMI、RFI變得更小,同時(shí)還對(duì)外部干擾具有屏蔽作用。PCB 設(shè)計(jì)時(shí)把模擬地和數(shù)字地分開。
  (3) 屏蔽措施:交流電源、高頻電源、強(qiáng)電設(shè)備、電弧產(chǎn)生的電火花,會(huì)產(chǎn)生電磁波,成為電磁干擾的噪聲源,可用金屬殼體把上述器件包圍起來,再接地,這對(duì)屏蔽通過電磁感應(yīng)引起的干擾非常有效。
  (4) 光電隔離:光電隔離器可以有效地避免不同電路板間的相互干擾,高速的光電隔離器常用于DSP和其他設(shè)備(如傳感器、開關(guān)等) 的接口。
        2、軟件抗干擾設(shè)計(jì)
  軟件抗干擾有硬件抗干擾所無法取代的優(yōu)勢(shì),在DSP 應(yīng)用系統(tǒng)中還應(yīng)充分挖掘軟件的抗干擾能力,從而將干擾的影響抑制到最小。下面給出幾種有效的軟件抗干擾方法。
  (1) 數(shù)字濾波:模擬輸入信號(hào)的噪聲可以通過數(shù)字濾波加以消除。常用的數(shù)字濾波技術(shù)有:中值濾波、算術(shù)平均值濾波等。
  (2) 設(shè)置陷阱:在未用的程序區(qū)內(nèi)設(shè)置一段引導(dǎo)程序,當(dāng)程序受干擾跳到此區(qū)域時(shí),引導(dǎo)程序?qū)?qiáng)行捕獲到的程序引導(dǎo)到指定的地址,在那里用專門程序?qū)Τ鲥e(cuò)程序進(jìn)行處理。
  (3) 指令冗余:在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩三個(gè)字節(jié)的空操作指令NOP,可以防止當(dāng)DSP系統(tǒng)受干擾程序跑飛時(shí),將程序自動(dòng)納入正軌。
  (4) 設(shè)置看門狗定時(shí):如失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”,通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。其原理是利用一個(gè)定時(shí)器,它按設(shè)定周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖,如果不想產(chǎn)生此脈沖,DSP就應(yīng)在小于設(shè)定周期的時(shí)間內(nèi)將定時(shí)器清零;但當(dāng)DSP程序跑飛時(shí),就不會(huì)按規(guī)定把定時(shí)器清零,于是定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖作為DSP復(fù)位信號(hào),將DSP重新復(fù)位和初始化。
 
三、電磁兼容性設(shè)計(jì)
  電磁兼容性是指電子設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中仍可以正常工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來干擾,又能減少電子設(shè)備對(duì)其他電子設(shè)備的電磁干擾。在實(shí)際的PCB板中相鄰信號(hào)間或多或少存在著電磁干擾現(xiàn)象即串?dāng)_。串?dāng)_的大小與回路間的分布電容和分布電感有關(guān)。解決這種信號(hào)間的相互電磁干擾可采取以下措施:
  1、選擇合理的導(dǎo)線寬度
  由于瞬變電流在印制線條上產(chǎn)生的沖擊干擾主要是印制導(dǎo)線的電感成分引起的,而其電感量與印制導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比,與寬度成反比。所以采用短而寬的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線、總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常有大的瞬變電流,其印制導(dǎo)線要盡可能短。對(duì)于分立元件電路,印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右即可滿足要求;對(duì)于集成電路,印制導(dǎo)線寬度在0. 2mm~1. 0mm之間選擇。
  2、采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)。
  具體做法是在PCB板的一層橫向布線,緊挨著的一層縱向布線。
 
四、散熱設(shè)計(jì)
  為有利于散熱,印制板最好是自立安裝,板間距應(yīng)大于2cm,同時(shí)注意元器件在印制板上的布排規(guī)則。在水平方向,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,從而縮短傳熱途徑;在垂直方向大功率器件盡量靠近印制板上方布置,從而減少其對(duì)別的元器件溫度的影響。對(duì)溫度較敏感的元器件盡量布放在溫度比較低的區(qū)域,而不能放在發(fā)熱量大的器件的正上方。
  在高速DSP應(yīng)用系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)中,如何把完善的設(shè)計(jì)從理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí),依賴于高質(zhì)量的PCB板,DSP電路的工作頻率越來越高,管腳越來越密,干擾加大,如何提高信號(hào)的質(zhì)量很重要。因此系統(tǒng)的性能是否良好,與設(shè)計(jì)者的PCB板質(zhì)量密不可分。


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