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PCB设计——PCB信号线的意外回音

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gaosmile 发布时间:2020-11-6 23:10

文章旨在帮助EE、Layout人员在设计前期阶段不需依靠SI/PI专家就能做初步的模拟分析,快速找出并排除常见信号/电源问题,提升设计质量和效率。

ReflecTIon信号反射

现今电子产品复杂度越趋增加,信号速度越来越快,在信号传输的过程中,如果信号不断反射便会对电子产品的运作造成影响,而这又与阻抗连续性以及阻抗匹配息息相关;而如何避免信号反射,除了在硬件设计时的规划外,在PCB设计时间针对信号传输路径进行分析和走线优化,并使传输信号的发送与接收端阻抗匹配,亦是确保产品性能良好的不二法门。

本篇将透过设计实例详解如何使用Allegro®PCBDesigner中的IDA(In-DesignAnalysis,设计同步分析)ReflecTIon分析功能,在PCB布线过程中同步进行信号反射分析,只要搭配零件模型的挂载,EE或Layout人员可以不需要倚靠SI人员,便能于设计中同步进行SI等级的信号反射分析,实时确认并修正PCB设计,降低失败的机率,并且减少返工的时间。

本文重点

常见信号反射问题

ReflecTIon分析挑战

如何设计同步进行ReflecTIon分析

零件模型设定诀窍

Reflection分析结果解析

1;什么是Reflection?PCB「信号传输线」上的意外回音

先前我们提到如何简单的利用Impedance分析《微信内部链接》来确认PCB上传输线的特性阻抗,现在是时候挑战巨人歌利亚,更深入地对信号做进一步分析了。

我们之前说到,将PCB上的信号线想象成自来水管,水在水管中流动。当水从比较宽的水管往下流动时,突然尾段水管变窄了,部分的水流无法继续前进,那就会往回冲了。同样的情况拿到PCB上来说,传送端与接收端阻抗不匹配即会造成信号的反射,此时接收端会将一部分电压反射回传送端,造成传输线中正在传送出去的信号与反射回来的信号彼此你侬我侬,互相干扰。此外,传输线经过贯孔或是连接器,以及参考地平面不连续,也均会造成信号反射。信号不稳定,系统运作就不正常。

想象你对着空无一人的空屋叫喊,竟然听到不应该得到的响应,岂不吓死人。

2

为什么需要Reflection分析?信号走线——失之毫厘、差之千里

一般在设计PCB时,Reflection(信号反射)常于以下几种情况发生:

传送端与接收端阻抗不匹配。

信号线宽改变导致阻抗不连续。

传输线过孔或连接器导致阻抗不连续。

信号线参考的地平面(GND)有壕沟(Moat)导致阻抗不连续。

以往EE/PCBLayout工程师在设计产品时,多半会沿用经验法则,或是使用其他分析工具做基本确认。但最多时候会需要专业SI人员帮忙对PCBLayout做实际模拟,得到精确的结果之后,再针对异常处做修正。而这一来一往的讨论与数据往返便耗费了许多时间;尤其在交期赶的时候,SI人员火大,EE/PCBLayout人员苦不堪言,交期延迟,客户发飙。

PCBLayout上的走线千百条,需要注意的地方太多,尤其信号频率越来越高,速度越来越快,有时候失之毫厘,差之千里,差那么一点点就会造成严重的影响;当客户不断要求修改设计的时候,有些细节更不能不注意,尤其是在会造成信号反射的部分。

在很多时候,Layout上的走线已做调整,贯孔的部分也做了初步确认,该加上的电阻/电容也加上了;但对于更高速敏感的信号,我们必须看得更深入。这时候便会需要进一步为零件挂上Models,进行分析时才能有零件的行为,并得到更为精确的结果,最后做细部的修正。

如果这些细部分析在PCB设计端便能够执行,利用直观的辅助分析工具帮助工程师实时分析、实时检查、实时修正,将可大大减少错误发生的机会并减少各方讨论的时间。交期不延迟,大家开心。

3

如何执行Reflection分析

现在Allegro中导入了Sigrity专业的仿真分析技术,将IDA(In-DesignAnalysis,设计同步分析)带入PCB设计流程之中,EE或Layout工程师只需再多挂载零件模型,就可以轻松实现SI等级的信号反射分析,预先扫除信号在线的意外回音!



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意法半导体微控制器和微处理器拥有广泛的产品线,包含低成本的8位单片机和基于ARM® Cortex®-M0、M0+、M3、M4、M33、M7及A7内核并具备丰富外设选择的32位微控制器及微处理器


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