高速pcb设计指南之七(编辑修改稿)

高速pcb设计指南之七(编辑修改稿)内容摘要：

规格中，但 ESD 的保护却还没有。 TVS 器件可以用来提供适当的 ESD 保护。 元件的放置和通路的长度仍然是重要的设计问题。 同样的排布指南应该仔细参详。 务令 TVS 和受保护线之间的通路变短，并且务令 TVS 器件尽可能靠近端口连接器。 按照 USB 规格的需要，应该采用固体电路能源分发开关器进行能源管理。 在 PC 主机中，它们提 供短路电流保护和差错报告给控制器 IC。 在 USB 周边设备中，它们用来进行端口切换，差错报告和供电电压斜降控制。 能源分配 如果将 PC 的电流量变化与 10 年前的相比，增幅之大实在令人惊诧。 再加上时钟频率的大幅增加，使得 PC 和服务器处於极高的 di/dt 环境之下。 例如，若L为 C 等於 41500μF，在负载上的瞬变其数量级为 200mV 峰对峰值，恢复时间 50 微秒。 使问题更复杂的还有令 CPU 进入睡眠之类的模式，然後迅速地唤醒起来，所产生的瞬变是每微秒 20 至 30A 的范围，因而变成为能源管 理上的头痛问题。 从转换器观点来看， di/dt 的值左右了对输出电容的选择，更特定地是电容的等效串联电阻（ ESR）和等效串联电感（ ESL）。 低频运作的转换器需要用大的电容量来存储两个工作周期之间的电荷，这就要采用电解电容。 这些电解电容虽然有很大的电容量，但随之而来也有大的 ESR和 ESL，两者都有违设计者心意的。 此外，电解电容体积很大，不适合於表面安装技术和紧凑的封装。 有一种代替的办法可以降低 ESR和 ESL的值，简化生产过程，减少实际体积。 方法是采用稍高频率的转换器，你就可以选择陶瓷电 容来代替电解电容，并且得到上述的优点。 同时，藉着采用多相转换器的方案，你更可将负载需求分担开来，每个转换器只需较少的输入电容，同时又能提供相同总量的电流能力。 它的另一个优点是降低了输入纹波电流。 在单相转换方案中，输入纹波电流等於输出的纹波电流之半。 由此，对 20A 系统而言，其输入纹波电流是 10A。 但是，对於四相转换器方案，例如说，就会在这四个转换器中平分这种输出电流。 现在每个供电为 5A，而它们的输入纹波电流为 2A。 这就可以采用更小型，更便宜的输入电容器。 DellComputers 公司（德州 RoundRock 市）替它的高速电脑和服务器系列开发了一种分立式，多相脉宽调制（ PWM）控制器和反向 DCtoDC 转换器。 其设计是要符合 Intel公司的高级 PentiumCPU 之紧迫电能／能源管理的要求。 该电路自此已由 Semtech 公司应 Dell 的要求加以集成起来。 采取了多相控制器和转换器的方案之後，你就要特别注意电路板的布线问题。 高频下的大电流开关会影响地平面有电压的差异。 电路的大电流部份应该先行布线，你应该采用地平面（ groundplate），或应该引入隔离或半隔离地平面区域，限制地电流进入特 定区域。 由输入电容器和高端及低端驱动器输出 FET 形成的回路包含了全部大电流，快速瞬变开关。 连接上应宽即宽及应短则短，以减少回路电感。 这样做就会降低电磁干扰（ EMI）， 降低地注入的电流，并将源振铃减至最小以得到更可靠的门电路开关讯号。 在上述两个 FET 接合点与输出电感器之间的连接，应该是宽的径迹，同时尽可能地短。 输出电容器应该尽可能靠近负载放置。 快速瞬变负载电流是由这个电容器提供的，所以，连接线应该既宽且短，以便把电感和电阻减至最小。 控制器最好置於宁静地平面区域内，避免输入电容器和 FET 回路中的脉冲电流流入这个区域。 高低端地电位参考引脚应该返回到极接近控制放大器封装的地那里。 小讯号模拟地和数码地应该连接到其中一个输出电容器的地端。 决不可以返回到在输入电容／ FET回路内部的地。 电流感测电阻回路应该保持尽可能的短。 聪明地工作 虽然上面的例子说明了一些方法，可预知和避免混合讯号系统的某些陷阱，但这决不是巨细无遗的。 每个系统都有其自己的挑战事项，而每个设计师都有其独特的障碍要跳越。 无论对付的是更困难的保护，或更严格的能源管理，选择恰当的元件是首先进行的事情。 在挑战转换器，转换器控制器和 TVS 保护器件方面，有很广泛的选择范围。 把它们放置於电路板上的正确地方就会显出能源管理和保护方面有效与否的差别。 深思熟虑的布线和地平面的配置则是第叁方面的关键问题。 用於低压电路的 TVS 电压低於 5V 时，传统的 PN 结型 TVS 实际上完全不起作 用。 不过，有一种增强式穿通二极管（ EPD），由加州柏克莱大学和 Semtech公司研制出来。 和雪崩式 TVS 二极管传统的 PN 结构不同，这种 EPD 器件采用了更复杂的n+p+pn+四层结构。 它在 p+和 P层采用轻掺杂，防止反向偏置的 n+p+结会进入雪崩状态。 选择 npn结构而不是 pnp 结构，是因为它有更高的电子迁移率和改进的箝位特性。 藉着小心架构制造 P基区，结果得到的器件於 至 电压范围内，取得了出色的漏电，箝位和电容特性。 饱胃口极大的 Pentium Intel 的 PentiumⅡ 规格里，要求在 500ns 内电流由 5A 增高至 20A，转换率为每微秒 30A。 而 SemteckSC1144多相 PWM控制器的能力还胜於任务所要求的。 它提供了对多达四个反向 DCtoDC 转换器的控制，得到所需的速度和精度。 内建的 5 位元 DAC 可让输出电压作编程输出，由 至 按 50mV 增量进行，由 20 至 按 100mV 增量进行。 这种多相技术产生了由 90 度相移分开的四个精确输出电压。 然後，这四个经数码式相移的输出一起求和，以得到所需的输出电压和电流容量。 以每个转换器工作於 2MHz来看，设计师可以采用陶瓷电容而非电解电容，并且得到体积小，可表面安装，以及更低的 ESR和 ESL的好处。 第三篇 信号隔离技术 信号隔离使数字或模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流连接。 这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。 信号地的噪声可使信号受 损。 隔离可将信号分离到一个干净的信号子系统地。 在另一种应用中，基准电平之间的电连接可产生一个对于操作人员或病人不安全的电流通路。 信号的性质可以为电路 设计人员指明系统可考虑的那些正确的 IC。 第一类隔离器件依赖于无发送器和接收器来跨越隔离屏障。 这种器件曾用于数字信号，但线性化问题迫使模拟信号隔离采用变压器，用调制载波使模拟信号跨越这个屏障。 变压器怎么说总是难弄的，而且通常不可能制成 IC，所以想出了用电容器电路来耦合调制信号以跨越屏障。 作用在隔离屏障上的高转换率瞬态电压可做为单电容屏障器件的信号，所以已开发出双电容差分电路以使误差最小。 现在电容屏障技术已应用在数字和模拟隔离器件中。 隔离串行数据流 隔离数字信号有很大选 择范围。 假若数据流是位串行的，则选择方案范围从简单光耦合器到隔离收发器 IC。 主要设计考虑包括： 所需的数据速率 系统隔离端的电源要求 数据通道是否必须为双向 基于 LED 的光耦合器是用于隔离设计问题的第一种技术。 现在有几件基于LED IC 可用，其数据速率为 10Mbps 及以上。 一个重要的设计考虑是 LED 光输出随时间减小。 所以在早期必须为 LED 提供过量电流，以使随时间推移仍能提供足够的输出光强。 因为在隔离端可能提供电很有限，所以需要提供过量电流是一个严重的问题。 因为 LED 需要的驱动电流可以大于从 简单逻辑输出级可获得的电流，所以往往需要特殊的驱动电路。 对于高速应用和在逻辑信号控制下使数据流反向转送的情况，可用BurrBrown公司的 ISO 150 数字耦合器。 图 1 示出 ISO150 的双向应用电路。 通道 1 控制通道 2 的传送方向，并配置为从 A 端传送到 B端。 加到 DIA 引脚的信号确定信号的流向。 送到 B 端的高电平把通道 2 的那一端置为接收模式。 而加到通道 2A 端。