PCB电流与信号完整性设计笔记

基本的电流概念

介电常数

电子在铜导线中的传输速度理论上是光速。

但问题是电流流过导体，会在导体周围产生电磁场，电磁场和电流必须一起移动，而磁场的移动速度是受到导体周围介质的影响的。
$$\mathrm{信}\mathrm{号}\mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{速}\mathrm{度}=11.8/\sqrt{{\epsilon }_r}\mathrm{i}\mathrm{n}/\mathrm{n}\mathrm{s}$$
$${\epsilon }_r\mathrm{是}\mathrm{相}\mathrm{对}\mathrm{介}\mathrm{电}\mathrm{常}\mathrm{数}，\mathrm{也}\mathrm{就}\mathrm{是}\mathrm{空}\mathrm{气}（\mathrm{真}\mathrm{空}）\mathrm{的}\mathrm{介}\mathrm{电}\mathrm{常}\mathrm{数}，{\epsilon }_r=1$$

像我们常用的PCB材料FR4的相对介电常数约为4，那套这个公式就是：
$$FR4\mathrm{信}\mathrm{号}\mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{速}\mathrm{度}=11.8/2\approx 6\mathrm{i}\mathrm{n}/\mathrm{n}\mathrm{s}$$
传输速度远小于在空气介质中。

走线宽度和信号传输速度

信号线越粗，传输速度越慢。

因为走线变宽走线和参考层之间就有更多磁场线包在介质中。

微带线和带状线

• 微带线就是一面是空气，另一面是参考层（应该是GND平面）的PCB信号线。

• 带状线就是两面都是参考层的信号线。

数字电路的时序问题

• RGB屏的信号线，要确保三种信号同时到达接收器。
• 差分对两条信号线必须等长。
• 当时钟脉冲触发时，数据线的正确电平必须出现并稳定在各自端口。

解决这一问题的方法：蛇形走线，确保等长。

实际PCB走线tips

1. 走线距离同层的地铜皮≥三倍线宽

   

2. 避免高速信号跨区。一般高速线距离参考平面边缘大于40mil，但是实际案例一般是做不到。

3. 芯片、ESD器件的每个GND焊盘附近都打一个GND通孔，并且尽量靠近焊盘。

4. 避免在晶振周围、开关电源、磁类器件（电感）周围布线。

5. 差分线等长：绕线补偿

差分线对称：

6. 完整地平面：因为只有大面积且完整的铜箔才能提供阻抗极小的高频回流路径。

7. 回流地过孔：下图是不同频率的信号线下电流的分布密度。

   

伴地过孔的打法：

应用：uart串口线旁边：（其实RX右边也要打一个）

8. 地铜皮不要超过地焊盘：

   

9. 重要的时钟信号、复位信号建议包地，包地线间隔500mil至少打一个地过孔，包地线距离信号线是3W。包地线线宽可取4mil~10mil。

10. 蛇形走线建议形态：

    

11. 尽量减小残桩长度，尽量为0。

    

12. 信号线一般是4mil。

13. 纠正错误理念：以下的通过过孔的直角走线是允许的：

以下的走线中间插过孔是被允许的：

14. 信号+电源的过孔一般取0.4mm · 0.2mm，被简称为0402过孔，每个0402过孔大概能走0.4A的电流。所以走电源线要打孔时一般要多个过孔+铺铜。

15. 大于30mil就不走线了，都改铺铜，那怎么确定线宽呢？ctrl+m（快捷键可能要自己设置）测量铺铜宽度并实时修改达到约数值即可：

    

16. 芯片的电源pin尽量等于芯片焊盘的宽度，大于等于8mil，但是不能大于焊盘本身的宽度。