PCB设计

引言 在一些高速信号板，例如 FPGA、ARM 处理器板，少不了 BGA 封装的走线绘制。这种封装走线又多又杂，在实际应用中经常会用到打过孔换层的走线方法，来在有限的空间中把线走通。但是这种走线会不会对信号产生影响呢？下面我们用 HFSS 和 ADS 仿真软件进行探究。 使用嘉立创阻抗神器计算，可获得的常用的 50Ohm 阻抗四层板叠层结构图，我们先仿照该结构图在 HFSS 中建立类似结构： 测试模型是否建立成功，先建立如图微带线模型，并进行 S 参数仿真测试： 分析 S11 参数，可得微带线归一化阻抗在中心点左右，即在 50ohm 处。 下面来建立类似 BGA 封装条件的传输模型 上图中，类 BGA 的传输模型，在发射与接收端各有两个触点。信号在表层进行传输，通过过孔在地平面进行回流，传输长度约为 3 到 4cm。下面是测得的 S11 参数，可以发现，因为有过孔作用，在高频处 S11 参数并不是稳定的 50Ohm。 将仿真参数导出到 ADS 软件进行时域仿真。仿真使用 500Mhz，1Vpp 的方波信号进行传输，可以看到波形还是很完整的。 下面我们来换一个模型，加入过孔换层操作，进行仿真 可以看到 S11 参数比较杂乱，跟上面比起来差别非常大。 下面仍然使用 ADS 进行时域仿真 可以看到，除了波形抖动幅度略微增大，眼图几乎没有什么变化。这里大胆猜测一下，在短距离传输下，就算是在线路中有过孔这种阻抗不连续的现象，只要及时在附近给电流提供完整的回流路径，对波形几乎没什么影响。 总结 在 3 到 4cm 这种长度的布线中，存在过孔换层对信号质量影响不大。在实际应用中只需及时给换层提供回流路径，且回流过孔尽量靠近换层过孔即可。

前言——开关节点振铃 为什么电源板子总炸？新焊好的电源，刚开始一段时间正常，但是用多一会，MOS 管就星火漫天，炸管不断。导致这个现象的部分原因，是这篇文章将要讲解的内容——开关节点振铃。DCDC 中，存在一个电流节点，开关过程中，这个节点存在大电流的电流换向，导致了电压过冲等现象的发生，容易烧坏器件。想要规避这类现象的发生，我们需要了解它的产生原理，发生场景等，再去想方设法地去解决。本文用 LTspice 仿真软件，详细探究振铃背后的秘密。 1 开关节点振铃是什么 下图是 BUCK（降压）电路的基本拓补，如红圈所示位置是开关节点。 在 DCDC 工作过程中，开关 S1 由 PWM 控制器控制，一开一关。电路有两种工作状态： S1 闭合，电流 I1 流进节点，I2 为 0 S1 开路，电流 I2 流进节点，I1 为 0 观察下面仿真波形图，理想状态下，I1 和 I2 应只有一条支路有电流，此时开关节点电压也为规整的方波。 但是正常来说，实际上我们制作出来的 DCDC，开关节点电压并不会这么规整，下图所示是振铃的仿真图形。 由上图，能看出，在开关电源的上升沿处出现了一个很高电压的尖峰，放大上升沿部分，可以发现上升沿出现了一个逐步衰减的高频震荡。相较于理想方波，这种现象对器件来说非常不友好，如果不加以控制，可能会导致 MOS 管或者二极管击穿烧毁的现象，影响电源的稳定性。 开关节点的振铃现象可以分为上冲和下冲，如上图所示是上冲现象，下冲现象也将在下文详细分析。 2 震荡如何产生 在电路里面，只要是震荡，基本都和 LC 回路有关，实际应用中震荡产生的原因基本都是由于电路布线布局瑕疵而产生的杂散电容电感引起。 如图所示 LC 震荡回路，当在电压源给予 LC 电路高频脉冲时，电路便会引发震荡，震荡的频率取决于 LC 回路的特征频率。 $$f=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$ DCDC 中，连续快速开关，开关的上升沿和下降沿相当于给整个电路一个高频激励，引发 LC 谐振回路震荡。接下来，要解析震荡产生的原因，只需在 BUCK 电路中找出存在 LC 杂散的回路即可。 ...