嵌入式系统高频PCB设计技巧

嵌入式系统高频PCB设计技巧

当今的高速嵌入式系统结合了各种功能、组件、数字接口，当然还有无线/射频信号。如果您想要设计具有任何计算能力的嵌入式系统，并且还包括模拟前端，您将面临多种混合信号设计挑战。无论是 1 GHz 以下的简单无线电连接、Wifi/BLE 还是千兆位以太网，嵌入式系统都需要某种方式与外界交互，而这种方式不依赖于纯数字信号。这适用于背板、单板计算机、物联网产品和其他系统。

使用当今嵌入式系统中使用的高频信号，电路板设计人员有责任在设计过程的早期解决这些问题。高频PCB的成功设计可以概括为三个方面：

堆栈设计和接地；
元件放置；
接线和阻抗控制。

听起来很明显，这是我们在本博客的许多文章中介绍的基本设计技术。不过，这里应该强调这几点，因为具有一些数字功能的高频PCB，尤其是现代嵌入式系统，必须依靠这三个方面的成功来确保系统按设计运行。为了帮助您开始下一个PCB的布局和布局，让我们从嵌入式系统的高频设计来看看每个区域。

高频 PCB 的设计挑战

正如我将简要讨论的那样，高频 PCB 和数字系统所涉及的设计挑战都集中在信号完整性上，在某种程度上也集中在电源完整性上。我们这里考虑的 PCB 类型是用于嵌入式系统的板，其中还将包括一些 RF 功能。 RF部分可以通过WiFi或BLE等标准无线协议来实现，而数字部分几乎可以与MCU、MPU或FPGA接口。

circuit board

隔离高频信号

也许这些系统中最重要的设计考虑因素是数字和模拟信号的隔离。如果系统有模拟部分、天馈线等，需要将模拟部分与数字部分隔离，因为串扰会干扰模拟信号。这是最好使用波导布线的原因之一，因为它提供了自然隔离，我将在下面更详细地解释。

如果您能成功完成此部分，您将更接近于在模拟部分制作具有更高 EMI 抗扰度的模拟部分。正如我将在下面讨论的，最好在堆叠阶段（设计的开始）而不是在布线阶段（设计的结束）开始考虑这一点。首先，嵌入式系统的布局设计应考虑一些特点。

嵌入式技术有何不同？

嵌入式系统与许多其他采用高频PCB的数字系统的区别在于高速数字接口的使用。尽管高速计算接口使用差分对进行数据传输，但仍然有可能在数字和模拟部分之间引起共模噪声（串扰）。此外，具有更快上升时间的信号会将其信号功率集中到更高的频率，因此它们更有可能在单端射频互连上显示为噪声。

由于您基本上处理的是高速小型计算机，因此您还需要考虑电源完整性，尤其是地弹/轨道弹。两种效果基本相同，但表现方式不同。

正确的 PCB 堆栈可以解决大多数电源和信号完整性问题。堆叠还会影响溶解度、分布性、阻抗控制、EMI/EMC、热控制和隔离。如果您正在设计具有高速数字接口和模拟部件的嵌入式系统，则可以使用该堆栈开始考虑您的设计。

如果您使用纯模拟或混合信号设备，则在堆叠和接地计划中需要考虑许多重要事项。然而，您还必须将高速/高频元件放置在电路板上，因此在开始布线之前自然要检查元件的放置情况。

组件放置在顶部参考平面上方

首先，您应该将接地层分为数字部分和模拟部分，但保持两个部分物理连接，以提供一致的低电抗接地路径。如果您使用多个频率的射频信号，请考虑切割第三个模拟信号以用于这些信号和组件。如果按照上述说明堆叠地和电源，则电源部分已经做了同样的处理，理想情况下，可以防止 PDN 中高传输阻抗引起的多端口激励。

将数字部分和 RF 部分在接地层上方分开，并遵循返回路径，以确保信号在 PCB 布局中隔离。

用于隔离布线的高频 PCB

下一个要考虑的问题是如何在组件之间布线。但是，您可能还需要一些策略来隔离不同的电路板部件和互连，以防止干扰。一些策略包括：

表层的共面波导布线，特别是元件之间的走线，到馈线或到同轴连接器。

如果您有足够的层，请考虑留一层用于功能区布线。请注意这一点，因为过孔可能会导致超高频（毫米波）出现问题。

由于会产生两个不同相的辐射源，因此在射频功率层周围放置接地通孔围栏可以提供良好的抑制效果。

考虑使用带隙结构来提供隔离，因为它们可以直接印刷到高频 PCB 上。

如何设计互连以确保一致的阻抗匹配并不像如何接线以防止干扰那么重要。也许这里最重要的一点是跟踪返回路径并使射频互连远离数字部分。只要射频互连附近没有大的返回电流，就可以减少对串扰的担忧。然而，在原型设计之前，仍然有很多点需要评估，现场求解器可以帮助发现这些问题。

在使用现场解算器进行原型设计之前评估您的电路板

只要您能够消除原型运行并发现超高频信号/电源完整性问题，您就可以节省时间和金钱。正确的场求解器可以帮助您完成 PCB 布局并计算确保 RF 产品按设计工作所需的重要信号完整性指标。在高频 PCB 中，需要检查的一些重要点是网络参数、辐射 EMI 以及不同电路板部件之间的干扰。如果将天线直接放置在板上，还需要检查辐射方向图和辐射功率。 PCB加工及PCB组装厂家讲解嵌入式系统中高频PCB的设计技巧。