高速DSP系统PCB板的可靠性设计

2008-04-11 17:12:36来源: 我爱研发网

  引言

  由于微电子技术的高速发展,由IC芯片构成的数字电子系统朝着规模大、体积小、速度快的方向飞速发展,而且发展速度越来越快。新器件的应用导致现代EDA设计的电路布局密度大,而且信号的频率也很高,随着高速器件的使用,高速DSP(数字信号处理) 系统设计会越来越多,处理高速DSP应用系统中的信号问题成为设计的重要问题,在这种设计中,其特点是系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断增加,其PCB印制板的设计表现出与低速设计截然不同的行为特点,即出现信号完整性问题、干扰加重问题、电磁兼容性问题等等。

  这些问题能导致或者直接带来信号失真,定时错误,不正确数据、地址和控制线以及系统错误甚至系统崩溃,解决不好会严重影响系统性能,并带来不可估量的损失。解决这些问题的方法主要靠电路设计。因此PCB印制板的设计质量相当重要,它是把最优的设计理念转变为现实的惟一途径。下面讨论针对在高速DSP系统PCB板可靠性设计应注意的若干问题。

  电源设计

  高速DSP系统PCB板设计首先需要考虑的是电源设计问题。在电源设计中,通常采用以下方法来解决信号完整性问题。

  考虑电源和

  地的去耦

  随着DSP工作频率的提高,DSP和其他IC元器件趋向小型化、封装密集化,通常电路设计时考虑采用多层板,建议电源和地都可以用专门的一层,且对于多种电源,例如DSP的I/O电源电压和内核电源电压不同,可以用两个不同的电源层,若考虑多层板的加工费用高,可以把接线较多或者相对关键的电源用专门的一层,其他电源可以和信号线一样布线,但要注意线的宽度要足够。

  无论电路板是否有专门的地层和电源层,都必须在电源和地之间加一定的并且分布合理的电容。为了节省空间,减少通孔数,建议多使用贴片电容。可把贴片电容放在PCB板背面即焊接面,贴片电容到通孔用宽线连接并通过通孔与电源、地层相连。

  考虑电源分布的布线规则

  分开模拟和数字电源层

  高速高精度模拟元件对数字信号很敏感。例如,放大器会放大开关噪声,使之接近脉冲信号,所以在板上模拟和数字部分,电源层一般是要求分开的。

  隔离敏感信号

  有些敏感信号(如高频时钟) 对噪声干扰特别敏感,对它们要采取高等级隔离措施。高频时钟(20MHz以上的时钟,或翻转时间小于5ns的时钟)必须有地线护送,时钟线宽至少10mil,护送地线线宽至少20mil,高频信号线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触,而且每5cm 打过孔与地层连接;时钟发送侧必须串接一个22Ω~220Ω的阻尼电阻。可避免由这些线带来的信号噪声所产生的干扰。

  软、硬件抗干扰设计

  一般高速DSP应用系统PCB板都是由用户根据系统的具体要求而设计的,由于设计能力、实验室条件有限,如不采取完善、可靠的抗干扰措施,一旦遇到工作环境不理想、有电磁干扰就会导致DSP程序流程紊乱,当DSP正常工作代码不能恢复时,将出现跑飞程序或死机现象,甚至会损坏某些元器件。应注意采取相应的抗干扰措施。

  硬件抗干扰设计

  硬件抗干扰效率高,在系统复杂度、成本、体积可容忍的情况下,优先选用硬件抗干扰设计。常用的硬件抗干扰技术可归纳为以下几种:

  (1) 硬件滤波:RC 滤波器可以大大削弱各类高频干扰信号。如可以抑制“毛刺”干扰。

  (2) 合理接地:合理设计接地系统,对于高速的数字和模拟电路系统来说,具有一个低阻抗、大面积的接地层是很重要的。地层既可以为高频电流提供一个低阻抗的返回通路,而且使EMI、RFI变得更小,同时还对外部干扰具有屏蔽作用。PCB 设计时把模拟地和数字地分开。

  (3) 屏蔽措施:交流电源、高频电源、强电设备、电弧产生的电火花,会产生电磁波,成为电磁干扰的噪声源,可用金属壳体把上述器件包围起来,再接地,这对屏蔽通过电磁感应引起的干扰非常有效。

  (4) 光电隔离:光电隔离器可以有效地避免不同电路板间的相互干扰,高速的光电隔离器常用于DSP和其他设备(如传感器、开关等) 的接口。

  软件抗干扰设计

  软件抗干扰有硬件抗干扰所无法取代的优势,在DSP 应用系统中还应充分挖掘软件的抗干扰能力,从而将干扰的影响抑制到最小。下面给出几种有效的软件抗干扰方法。

 

关键字:PCB板  电源  DSP系统  阻尼电阻  可靠性设计  DSP应用  系统崩溃  系统错误

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0411/article_46.html
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