一、概述
1.什么是高速电路？
- 一般认为：高速电路频率≥50MHz且这部分频率电路达到1/3。
- 客观的讲：考虑到上升下降沿及延迟，当信号的传输路径大于1/6倍传输信号波长时，认为是高速信号。
- 因此，信号的传输延迟大于1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应，即为高速电路。
2.高速信号
- 一般地，信号上升时间的典型值可以通过器件手册得到，而信号的传播时间在PCB上由实际布线长度决定，PCB板上每英寸的传输延时约为0.167ns(约5~6inch/ns)。
- 如果过孔多，器件管脚多，信号线上设置的约束多，延迟增大。
- 通常高速逻辑器件的信号上升时间大约为0.2ns。
设Tr为信号上升时间，Tpd为信号线传播延时。如果：
- Tr>4Tpd，信号落在安全区域;
- 2Tpd ＜ Tr ≤ 4Tpd，信号落在不确定区域;
- Tr ≤2Tpd，信号落在问题区域。
3.高速设计
- 电源滤波，均匀分配电源，降低系统噪声
- 匹配信号线，减少反射
- 降低走线间串扰
- 减小地弹效应
- 阻抗匹配
- … …
4.整体设计思路
- 对单板宏观整体了解
- 对硬件研发流程节点了解
- 对设计规范熟悉
- 能平衡SI、SI、EMC、成本、周期等要求
A、SI/PI/EMC设计指南
B、开关电源PCB设计指南
C、射频/模拟PCB设计指南
D、接口电路PCB设计指南
E、时钟电路PCB设计指南
高速PCB设计流程：
- 单板整体电路分析:对单板主要芯片方案、电源方案、主要总线、信号流向、电源树、接口类型、工艺方案、EMC方案等做整体了解和规划
- 预布局、前仿真分析:在综合考虑满足信号质量、EMC、热设计、DFM等方面的基础上，把主要器件合理的摆放到PCB上
- 布局布线:在满足信号质量、DFM、EMC等规则要求下，完成器件摆放和信号互连
- 后仿真验证:Sl仿真、PI仿真、热仿真
- 工艺评审:利用Valor等先进工具进行DFM
二、高速PCB叠层与阻抗设计
1.PCB层叠理论基础
- 信号线阻抗：介质厚度对阻抗影响大、尽量减小线宽、加大线距（3W原则），降低串扰
- 信号返回路径：
-低速中，电流沿着最小电阻路径流动
-高速中，电流沿着最小电感路径流动 - 电源、地平面：
-为数字信号的转换提供稳定的参考电压
-为所有的逻辑器件提供电源
-控制信号之间的串扰 - 电源完整性要求：电源对地保持低阻抗，电源阻抗为
-D为电源地平面间距，W为平面重叠的面积 - 平面隔离技术：推荐使用额外的地平面而不是电源平面来隔离布线
2.叠层设计原则
参考
PCB_3.PCB叠层
PCB_4.确定PCB层压
3.阻抗设计精度
- 阻抗精度要求一般在±10%，严格的±5%
- 控制阻抗的连续性比片面追求阻抗值更重要
4.PCB设计时带来的阻抗不连续
- 线宽突变
- 走线跨分割
- 过孔换层
- 分支结构
- 连接器器件管脚
三、高速PCB布局布线设计
1.布局思路
- 提前规划，绘制框图
- 预布局（可不受板框、DRC限制）
- 模块化布局
- 布局优化
2.布局设计规则
对规则熟悉且有书面条例进行检查对照。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-400290.html
3.Fanout（扇出）设计
QFN
模块调整时把扇出做好，扇出时保证布线通道（器件本体下，器件Pin下，空隙处）。
PIN间距0.5MM
- 单片时信号线尽量往外扇出，电源地尽量往里扇出，就近放置滤波电容
- 双片时正反对贴，共用电源、地孔，就近放置滤波电容
BGA
0.5BGA扇出，一阶HDI
- BGA可以使用自动fanout，后面再根据具体情况调整孔的位置;-由于阻抗控制关系，盲孔出来到埋孔的线应该尽量短。
- 0.5BGA扇出，盲孔尽量打在四个焊盘的中间；不要打在焊盘上，不然加工要做电镀填孔，难度成本大
0.4BGA扇出，一阶HDI。
- 0.4BGA的只能打在盘上。
4.布局思路
- 规则驱动设计
- 关键信号优先处理
- 整板布线
- 电源、地处理
- 等长绕线
- 布线优化
5.布线设计规则
对规则熟悉且有书面条例进行检查对照。
四、高速PCB仿真介绍
1．高速PCB仿真的目的
- 确定关键信号的链路阻抗
- 确定关键信号、总线的链路长度
- 确定阻抗匹配方案
- 确定总线拓扑结构
- 提前预估信号质量
- 确保硬件设计质量
2．高速PCB仿真流程
- 信息获取：了解信号类型、特征及相关要求，获取模型
- 规划评估：规划高速链路布线路径，估算最长最短的大致走线长度，预先选定几种板材，并获取相关参数
- 设计叠层：根据信号阻抗，单板空间和板厚，确定层数，计算差分阻抗，创建传输线模型
- 设计过孔：在满足设计和加工要求的情况下，确定过孔结构、回流孔、扫描频率或变量等参数，分析仿真结果，输出过孔模型
- 绘制原理图：根据规划，搭建串行链路原理图，设置相应参数
- 仿真分析：分析仿真结果，优化走线、过孔、均衡等参数
3．高速PCB仿真痛点和难点
- 仿真软件的使用比较复杂
- 许多器件的仿真模型很难获取
- 对SI的理论知识没有吃透
- 仿真软件的价格昂贵
4．高速PCB仿真应用
- 高速串行链路仿真（如PCIE）
- 高速并行链路仿真(DDR系统级验证)
- 电源仿真（分析确定载流宽度等）
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