高速PCB布局布线规范

时间：09-07来源：作者：点击数：

文章详细阐述了高速PCB设计中涉及的容抗、感抗概念及其对信号的影响，以及寄生电容、分布电容和杂散电容的减小方法。同时讨论了如何处理寄生电感、EMI/EMC问题、信号串扰和高速信号线的走线原则。重点强调了去耦/旁路/滤波电容的作用和布局策略，以及阻抗匹配的重要性，包括计算和调整方法。

一、容抗/感抗

容抗和感抗都叫阻抗，表现为对电流的阻碍作用，但并不消耗能量。高速PCB设计基本上就是在跟容抗和感抗斗争，所以布局走线的时候，要时刻注意尽量减少不必要的电容和电感效应。

1.容抗

电容是储能元件，可以容纳一定的电能，当电容电压比输入电压小的时候，电容充电；当电容电压等于输入电压的时候，电容停止充电；当电容电压小于输入电压的时候，电容放电。

如果是直流电，电容存在充电电流，充电满了之后，电流消失，表现为开路。如果是交流电，电容存在充电和放电电流，方向相反，交流电流通过电容。交流电虽然可以通过电容，但是电容对交流电也有一定阻碍作用，比如电容充满了，交流电还没有换向，那么就不再能通过电容，直到交流电换向，电容放电，所以会有容抗一说，容抗的公式为：X=1/(2πfC)，X是容抗，f是交流电频率（单位Hz），C是电容容值（单位F）由公式可以看出频率越高，容抗越小，容值越大，容抗越小。

总结一下，电容对电流的作用就是，隔直通交，低频小容容抗高。

2.感抗

根据电磁相互作用，当恒定的电流通过线圈的时候会产生恒定的磁场，当交变的电流流过线圈的时候，会产生交变的磁场，而交变的磁场又会产生交变的电场，交变的电场会产生交变电流，根据右手螺旋法则，产生的交变电流跟原电流方向相反，所以对原电流有阻碍作用。

这样可能比较难理解，可以理解电感的作用就是会延迟原有电流大小方向的变化，但交流电反向后，电感的延迟作用导致原方向还有电流，就导致了两个电流方向相反。而直流不会反向，所以对直流电没有阻碍作用。电感对交流电的阻碍叫做感抗，感抗公式：X=2πfL,f是交流电频率（单位Hz），L是电感值单位（H）。由公式可以看出，频率越大感抗越大，电感值越大感抗越大。这点跟电容刚好相反。

总结一下，电感对电流的作用就是，通直阻交，低频小感感抗小。

二、寄生电容/分布电容/杂散电容

1.寄生电容

工艺问题导致元器件内部存在的电容。

2.分布电容

两个元器件之间，或者两根平行走线之间存在的电容。

3.杂散电容

除寄生电容和分布电容之外的，两个元器件或元器件与导体之间形成的电容。

为了简单，也有将三种形式电容混为一谈的说法。

4.寄生电容/分布电容/杂散电容对信号的影响

电容是隔直通交，阻低通高的，如果两条信号线之间形成了分布电容，高频信号就会跑到相邻的信号线中去，而不会传递到接收端，这样不仅接收端的高频信号会被截流，而且相邻的信号线上的信号也会失真。信号频率一定的情况下，分布电容越小，容抗越大，影响也就越小。所以要减小分布电容。

5.怎么减小分布电容？

原则就是减小两线的有效电容面积，增大两线距离。

(1).避免平行布线

(2).走线尽可能窄

(3).走线尽可能短

(4).走线间距尽可能大

(5).走线之间隔地线

三.寄生电感

1.什么是寄生电感？

PCB走线本身存在的电感。

寄生电感对信号的影响

电感的特性是低通高阻，所以信号的高频部分很难通过，导致高频信号丢失。此外，相邻的信号线间产生电磁相互作用，也叫感性耦合（类似于变压器），也会影响到相邻信号线。

2.怎么减小寄生电感？

(1)走线尽可能端

(2)避免走线形成环路

四.EMI/EMC

1.什么是EMI/EMC

EMI电磁干扰，设备内器件或设备间相互的电磁干扰。

EMC电磁兼容性，设备可以抵抗干扰，并且不会产生干扰的能力。

2.怎么减小EMI？

(1)信号线尽量走同一层

(2)避免直角或锐角走线

(3)避免走线形成环路

(4)避免走线开路

五.信号串扰

1.信号串扰

信号串扰有两种，一种是寄生电容导致相邻信号串扰。一种是电磁作用导致出现的共模干扰EMI。

2.怎么减小信号串扰？

(1)减小寄生电容

(2)减小EMI

六.高速信号线

高速信号线是指信号时钟频率高于250MHz的信号线。

高速信号线走线原则

(1)避免平行走线(主要指不同组的信号线隔层平行)，最好十字交叉

(2)夹地相邻，相邻信号线之间包夹底线。

(3)走线尽可能短

(4)禁止锐角、直角转弯

(5)避免环路

(6)尽量少过孔

(7)同组信号线等长走线（避免时序错乱）

(8)走线特性阻抗等于50欧姆

七.高速差分对

高速差分对一般只USB/MIPI/LVDS等通过差分电压承载信号的高速信号线。

告诉差分对走线原则

跟普通高速线基本一致，但对等长走线更加严格。

八.去耦/旁路/滤波/耦合电容

1.去耦电容

靠近输出端，防止器件内部产生的电压波动影响到后面的负载。一般加在电源输出端，容值较大，主要抵抗的是低频的电源波动，起稳压作用。

2.旁路电容

靠近输入端，一般是芯片输入引脚，主要功能是滤除输入信号的高频干扰，避免对信号处理产生影响，一般容值较小，起低通滤波的作用。

3.滤波电容

滤波电容是为了过滤特定频率的信号设计的电容，即可以位于输入端也可以位于输出端，主要看使用目的，容值要经过专门计算或试验得出。

4.耦合电容

耦合电容的作用是隔直通交，串联在电路中，防止直流输出。一般用于高频交流信号输出，去除直流分量的影响。

5.直流偏移对音频设备的危害

轻微的直流偏移会使耳机/喇叭的音圈不在磁隙的最佳位置，对音效有影响。严重的直流偏置，使音圈剧烈发热，音圈胶融化，线圈烧毁，振膜在巨大的磁推力和音圈的热量作用下变形损坏。

6.去耦/旁路/滤波电容为什么要靠近作用端？

这里就涉及到去耦半径的概念，这里以去耦电容为例，其他类似，去耦电容的作用是补偿干扰源造成的电源抖动，所以这个作用要越快越好（不能还没来得及补偿，已经进了负载了，那这个去耦就去了个寂寞），而干扰信号传输到电容的位置是需要时间的，如果电容跟干扰源较远，那么中间的导线电感会使干扰信号无法及时到达电容位置，这会导致两个结果，(1)负载位置比电容近，干扰还没进电容，先进了负载，这种显然去耦没有起作用。(2)电容感受到了干扰，产生补偿，但是已经追不上原干扰了，干扰和补偿一前一后的进了负载，这就是干扰和补偿的相位不一致。这两个结果都导致了去耦失效，那么去耦有效的走线长度就叫去耦半径。一般来说电容要靠近作用对象越好，最大距离不能超过去耦半径，超过了去耦半径，去耦作用就会失效。

7.去耦半径计算

去耦半径=干扰信号波长/50，注意干扰信号波长计算公式为：波长=电磁波在PCB走线上的传播速度/干扰频率

一般也不用刻意计算去耦半径，尽量靠近即可。

8.不同规格电容的摆放顺序

这其实很简单，只需记住干扰来了让大电容的先上。

对于输出端的去耦电容，干扰从电源芯片往外输出，所以大电容要更靠近输出引脚，大的低配扰动去除后，再去除更高频的干扰。

对于输入端的旁路电容，干扰是从外部输入到芯片里去的，所以小电容要更靠近芯片引脚。

当然，不管大电容还是小电容，都要尽量靠近，不能超出去耦半径。

九.阻抗匹配

1.什么是阻抗匹配？

阻抗匹配的形象比喻，可以把高频信号的传输想象成水流的传输，如果下一节水管的水管直径变窄，那么水流就会受阻，部分水流会反射回来。所以为了畅通无阻的传输水流，必须保证每一段的水管直径一致。

事实上，任何电源（信号源）都会有内阻，也会有最大输出功率，根据公式可以计算出当负载阻抗跟内阻一致的时候，负载上可以得到最大输出功率。根据这个结论，对于电源来说，最大输出功率越大，不可避免的，内阻也会越大。对于射频源来说，天线（射频负载）阻抗跟射频源内阻一致（或共轭），就可以使发射出去的电磁波能量最大。而根据水管的比喻，射频传输线（馈线）的特性阻抗也要跟内阻一致，否则会导致信号反射，由于高频信号波长短，容易在馈线上形成驻波，这样不仅天线得不到最大发射功率，而且还会导致馈线发热，甚至烧毁设备。发热的原因在于入射波和反射波形成驻波，所以阻抗匹配需要重点关注的就是驻波比系数，一般要求驻波比的S11系数为1，即没有反射，能量全部发射出去，阻抗完全匹配。