精通高速PCB设计：常见误区与实证策略

就高速电子系统而言，印制电路板设计的成功在理论和实践上直接决定电磁兼容性（EMC）系统的高问题解决率。为达到EMC标准，高速PCB设计面临巨大挑战，设计师必须在设计过程中摒弃传统设计理念和方法。本文主要从实践视角分析高速PCB设计过程中的误解与策略。

高速PCB材料介电常数

目前高速PCB设计主要有三大技术：噪声与延迟PCB图形设计技术、阻抗与传播延迟控制技术、以PCB阻抗为参数的评估技术，后两者是PCB制造核心。高速PCB传输线常用基础结构为微带线和带状线。对高速PCB传输线，特征阻抗Z₀和传播延迟t_pd是最重要变量。实际上，微带线与带状线结构不同，计算公式也不同。但无论如何，阻抗始终是传输线的几何结构函数。大多数情况下，PCB材料部分介电常数受频率、面积吸水率、温度和电气特性影响。对双层或多层PCB，其介电常数受PCB材料树脂与玻璃纤维比例影响。

目前最常用PCB材料是FR4。通常材料供应商会标明介电常数值供工程技术人员使用。实际应用中，参数值通常在1MHz条件下获得，而高速情况下介电常数有明显变化，如图1所示。

图1中三条曲线对应不同树脂/玻纤比例。曲线A最高、B中等、C最低。操作员若未注意差异，阻抗和传播延迟的计算或仿真结果与实际情况偏差巨大，将影响高速系统信号完整性设计。

90°拐角问题

大多数文档建议PCB布线避免90°拐角，因其可能导致阻抗不连续和电磁干扰（EMI）辐射。理论上，90°拐角宽度变化较大，导致阻抗剧变和严重不连续。实践中，电磁能量倾向聚集在走线拐角，拐角越尖锐，聚集能量越多。基于上述分析，EMI辐射在90°拐角处最突出。

但有研究者发现90°拐角对阻抗影响在10%以内。对6mil走线宽度，若成为关键长度，则处于THz范围。因此可估计，实际应用中90°拐角必然导致阻抗不连续。

因此，在实际PCB布线中，至少在GHz范围内，无需不惜代价避免90°拐角。

20-H原则

自KNG提出20-H原则以来，被视为高速PCB设计主导原则。甚至有研究者称该原则能使相关PCB层环境电磁密度降低约70%，且对减少向外EMI辐射有效。但大量实验不支持研究者预期。

实验表明：对双层PCB，20-H原则导致更严重辐射；对多层PCB，在内部介质层应用20-H原则无明显改善。

滤波电容参数

滤波电容是解决电子系统EMC问题的经验有效且经济措施。但高速电子系统对滤波电容性能和适用设计提出新要求。滤波电容简化模型如图2所示。

须满足：Z_C < Z_S // Z_L (Z_C=1/2πfC)。常见误解认为只要Z_C小于Z_L即可达到滤波目的。实际上，除非Z_S和Z_L数值确定，否则无法确定滤波电容参数。

然而高速电路中，Z_S和Z_L均非纯电阻，需复数值。同时Z_C在高速电路中非纯电容，必须考虑等效串联电阻和等效串联电感。这些都是高速电子系统应用滤波电容的难点。设计师若忽略这些方面，计算/仿真结果与实践将出现明显差异。

硅封装

PCB设计师倾向于关注PCB布局和元件间互连，忽视元件封装重要性。实际上这可能对高速PCB设计产生严重后果。硅封装通过连接线和引脚的寄生电感、寄生电阻、寄生电容影响硅性能。这些参数产生噪声、通信延迟、边沿速率和频率响应。不同封装的寄生参数可能差异巨大。相同电路的硅芯片，不同封装性能表现不同。

事实上，对高速电子系统，硅设计、封装设计和板级设计从不相互独立。硅设计流程中，必须根据PCB选取合适封装。硅设计整体布局受工艺和板级因素双重影响。对硅封装，其与PCB匹配是必须考虑的因素。更重要的是，合适封装对板级完整性和EMC/EMI问题极有帮助。因此，硅封装绝不能忽视或轻视。

共模电流辐射干扰

PCB信号传输导线中存在传输有用信号的差模电流和无有用信息的共模电流，两者均产生EMI辐射。

因差模电流相对较大，电路设计师重点关注差模电流EMI辐射，形成控制理论和技术。部分EDA工具具备差模电流EMI辐射仿真预测功能。但与差模电流相比，共模电流小得多，易导致设计师忽视共模电流EMI辐射。

然而最新研究表明：虽然共模电流远小于差模电流，但其产生的EMI辐射干扰远大于后者。目前，共模电流EMI辐射已成为高速先进电路板主要辐射干扰源之一。更糟的是，共模电流EMI辐射产生原因复杂，无法仿真预测，控制研究仍在进行中。

因此，高速PCB设计时，仅基于差模电流EMI辐射仿真预测EMI辐射是不可靠的。

参考资源
• 高速布局技巧
• 降低EMI影响的高速PCB布线技术
• 嵌入式应用系统高速PCB设计研究
• 高速PCB设计差分等长处理与仿真验证
• 高速PCB图像平面设计方法
• 高速PCB设计信号完整性挑战及解决方案
• 高速PCB布局中信号反射抑制方法
• 高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计
• PCBCart全功能PCB制造服务 - 多种增值选项
• PCBCart高阶PCB组装服务 - 单片起订