本發(fā)明涉及PCB電路板技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種改善平面諧振特性的PCB及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

在FPGA設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于PCB板上電子元器件密度較大，走線較密，信號(hào)頻率也越來(lái)越高，不可避免要出現(xiàn)EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)問(wèn)題。目前，印刷電路板設(shè)計(jì)中，電源層和地層形成了一個(gè)平面諧振腔，在這個(gè)平面諧振腔內(nèi)存在某些區(qū)域存在一些高頻易諧振點(diǎn)。

構(gòu)成PCB電路設(shè)計(jì)的元素中，電源分配系統(tǒng)中面積最大的就是電源/地平面，它扮演著高頻去耦、為信號(hào)線提供回流路徑及電磁屏蔽的作用，電源/地平面雖然可以看作一個(gè)電容器。但是由于設(shè)計(jì)的需要，電源/地平面通常會(huì)被分割，平面的電容特性會(huì)變得非常復(fù)雜，而且高頻時(shí)，受分布寄生電感的影響，電源/地平面相當(dāng)于一個(gè)諧振腔，具有諧振特性。電源/地平面的諧振特性對(duì)我們的系統(tǒng)性能帶來(lái)不利的影響，因此降低電源-地平面諧振特性對(duì)PCB設(shè)計(jì)尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提供一種改善平面諧振特性的PCB及其設(shè)計(jì)方法，通過(guò)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，改變電源/地平面尺寸結(jié)構(gòu)、減少PCB層間介質(zhì)厚度、采用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料及增加去耦電容方法進(jìn)而改變可能存在的諧振頻率和降低諧振幅度，提高系統(tǒng)性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法，包括： 確定PCB板卡電源層與接地層的疊層參數(shù)； 布置電源層的信號(hào)線布線回路； 根據(jù)電源層布線回路確定電源層的高頻易諧振點(diǎn)； 在高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間設(shè)置去耦電容。

進(jìn)一步地，確定PCB板卡電源層與接地層的疊層參數(shù)之前，還包括： 根據(jù)平行板電容公式：C=ε₀*ε_r*A/h，計(jì)算電源層與接地層之間的電容，其中，C表示電容量，ε₀表示真空的介電常數(shù)，ε_r表示介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，A表示平行板平面的面積，h表示平行板間的距離。

進(jìn)一步地，確定PCB板卡電源層與接地層的疊層參數(shù)，包括： 根據(jù)平行板電容公式確定PCB板卡介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，以及電源層與接地層的層間距離。

進(jìn)一步地，根據(jù)電源層布線回路確定電源層的高頻易諧振點(diǎn)，包括： 根據(jù)電源層布線回路上回路的分布情況，確定每條回路的高頻易諧振點(diǎn)； 每條回路確定一個(gè)或多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)。

進(jìn)一步地，在高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間設(shè)置去耦電容之前，還包括： 確定去耦電容的電容大小。

進(jìn)一步地，確定去耦電容的電容大小，包括： 根據(jù)所確定的電源層與接地層的疊層參數(shù)，再結(jié)合平行板電容公式計(jì)算電源層與接地層平行板原始電容； 根據(jù)電源層與接地層平行板原始電容的大小，選取合適的去耦電容。

進(jìn)一步地，在高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間設(shè)置去耦電容，包括： 在每個(gè)高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)去耦電容。

本發(fā)明還提供一種改善平面諧振特性的PCB，包括PCB板卡，所述PCB板卡設(shè)置有電源層和接地層，其中，電源層上布置有一條或多條信號(hào)線回路，信號(hào)線回路上設(shè)有多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)，每個(gè)高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間通過(guò)一個(gè)或多個(gè)去耦電容連接。

進(jìn)一步地，所述PCB板卡為多層層疊結(jié)構(gòu)，包含有多組電源層與接地層。

進(jìn)一步地，所述PCB板卡板材的相對(duì)介電常數(shù)值不小于4，電源層與接地層的層間距離不超過(guò)0.1mm。

本發(fā)明提供一種改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法，具有如下有益效果：

本發(fā)明方法通過(guò)以下三個(gè)方面進(jìn)行改善平面諧振特性：1.改變平面尺寸結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變可能存在的諧振頻率，使相關(guān)的諧振頻率避開所關(guān)注的噪聲頻帶；2.介質(zhì)厚度與阻抗成正比，減少介質(zhì)厚度以降低諧振幅度；采用高介電常數(shù)的材料也會(huì)降低電源地的阻抗，但諧振頻率也會(huì)隨之降低；3.在頻率較高時(shí)，電源板層的特性開始變得復(fù)雜，一對(duì)平行板構(gòu)成了一個(gè)平行板傳輸系統(tǒng)，電源和地之間的噪聲，或與之對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)遵循傳輸線原理在板之間傳播，由于多模電磁波的傳輸而呈現(xiàn)的強(qiáng)烈的諧振特性并存在多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)，所以需要結(jié)合去耦電容來(lái)抑制，以大幅提高電源與地平面間的電容，達(dá)到電容濾波作用。

改善平面諧振特性的PCB的有益效果與改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法類似，不再贅述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的改善平面諧振特性的PCB的第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的改善平面諧振特性的PCB的第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為不含去耦電容的PCB板的諧振特性圖；

圖5為含有去耦電容的PCB板的諧振特性圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解，對(duì)附圖中出現(xiàn)的部分英文名詞作以下解釋說(shuō)明：

EMI即Electromagnetic Interference，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種：傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)；輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

相對(duì)介電常數(shù)，即relative permittivity，表征介質(zhì)材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)的物理參數(shù)，其值等于以預(yù)測(cè)材料為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成的同尺寸電容器電容量之比，該值也是材料貯電能力的表征。也稱為相對(duì)電容率。

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

以下結(jié)合具體情況說(shuō)明本發(fā)明的示例性實(shí)施例：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法，包括：

確定PCB板卡電源層與接地層的疊層參數(shù)；

布置電源層的信號(hào)線布線回路；

根據(jù)電源層布線回路確定電源層的高頻易諧振點(diǎn)；

在高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間設(shè)置去耦電容。

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法的流程示意圖；本實(shí)施例提供一種改善平面諧振特性的PCB設(shè)計(jì)方法，包括：

步驟S101、根據(jù)平行板電容公式：C=ε₀*ε_r*A/h，計(jì)算電源層與接地層之間的電容；其中，C表示電容量，ε₀表示真空的介電常數(shù)，ε_r表示介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，A表示平行板平面的面積，h表示平行板間的距離；

步驟S102、根據(jù)平行板電容公式確定PCB板卡介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，以及電源層與接地層的層間距離；

步驟S103、布置電源層的信號(hào)線布線回路；

步驟S104、根據(jù)電源層布線回路上回路的分布情況，確定每條回路的高頻易諧振點(diǎn)；

步驟S105、每條回路確定一個(gè)或多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)；

步驟S106、根據(jù)所確定的電源層與接地層的疊層參數(shù)，再結(jié)合平行板電容公式計(jì)算電源層與接地層平行板原始電容；

步驟S107、根據(jù)電源層與接地層平行板原始電容的大小，選取合適的去耦電容大?。?/p>

步驟S108、在每個(gè)高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)去耦電容。

在本實(shí)施例中，在諧振頻率附近，能力會(huì)被介質(zhì)存儲(chǔ)或消耗掉，而且只要該電源與地平面的諧振位置有激勵(lì)源，就很容易起振。如果信號(hào)的參考回路剛好經(jīng)過(guò)平面高頻易諧振點(diǎn)，則諧振噪聲很容易耦合到信號(hào)中，使得信號(hào)質(zhì)量變差，而且諧振也會(huì)對(duì)EMI輻射產(chǎn)生影響。通常需要增加濾波電容或適當(dāng)調(diào)整芯片的外置，來(lái)減弱或回避平面諧振以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。在頻率較低時(shí)，信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板尺寸，電源板層和地層構(gòu)成一個(gè)電容，其電容可根據(jù)下面的平行板電容公式計(jì)算：

C=ε₀*ε_r*A/h；

其中，C表示電容量，單位pF；ε₀表示自由空間的介電常數(shù)，0.089pF/cm;ε_r表示介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，A表示平行板平面的面積，h表示平行板間的距離。

平行板電容計(jì)算公式表明在平行板面積已無(wú)法改變的情況下，有兩個(gè)因素影響電容量：平行板之間的距離即電介質(zhì)厚度，以及介電常數(shù)。從公式來(lái)看，平面介質(zhì)厚度越小，介電常數(shù)越大，平面電容越大。在頻率較高時(shí)，電源板層的特性開始變得復(fù)雜，一對(duì)平板構(gòu)成了一個(gè)平板傳輸系統(tǒng)，電源和地之間的噪聲，或與之對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)遵循傳輸線原理在板之間傳播，由于多模電磁波的傳輸而呈現(xiàn)的強(qiáng)烈的諧振特性并存在多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)，所以需要結(jié)合去耦電容來(lái)抑制。

作為一種可實(shí)施方式，可選用常見(jiàn)的FR4板材的介電常數(shù)典型值為4，常見(jiàn)的疊層平面高度為0.1mm,則1cm²的電容為C=35.6pF,即電源層與接地層平行板原始電容為35.6pF，因此可見(jiàn)單位面積平面電容很小。一般來(lái)說(shuō)，雖然在多層電路板中存在平面電容，但它太小了，對(duì)電源的濾波起不到明顯的作用。要大幅提高電源與地平面間的電容，以達(dá)到電容濾波作用，就需要增加電源/地平面之間的去耦電容。在滿足使用要求的前提下，結(jié)合電源層與接地層平行板原始電容35.6pF，選取合適的去耦電容大小。要想在高頻諧振達(dá)到去耦效果，則需要人工設(shè)計(jì)PCB時(shí)增加合適的容值大小的一定數(shù)量的去耦電容，一般選用的去耦電容大小為0.1uf或者1uf。

本發(fā)明還提供一種改善平面諧振特性的PCB，包括PCB板卡，所述PCB板卡設(shè)置有電源層和接地層，其中，電源層上布置有一條或多條信號(hào)線回路，信號(hào)線回路上設(shè)有多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)，每個(gè)高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間通過(guò)一個(gè)或多個(gè)去耦電容連接。

進(jìn)一步地，所述PCB板卡為多層層疊結(jié)構(gòu)，包含有多組電源層與接地層。

進(jìn)一步地，所述PCB板卡板材的相對(duì)介電常數(shù)值不小于4，電源層與接地層的層間距離不超過(guò)0.1mm。

請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的改善平面諧振特性的PCB的第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，電源層與接地層近似的堪為兩個(gè)平行板，電源層上布置錯(cuò)綜復(fù)雜的信號(hào)線回路，信號(hào)線回路上設(shè)有多個(gè)高頻易諧振點(diǎn)，每個(gè)高頻易諧振點(diǎn)與接地層之間通過(guò)一個(gè)去耦電容連接。

請(qǐng)參考圖3，圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的改善平面諧振特性的PCB的第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是典型的RLC串聯(lián)諧振電路設(shè)計(jì)示意圖，圖中，on-chip指芯片，power grid指電源層，board指PCB板卡，decaps指去耦電容。本實(shí)施例中，在PCB板上為此線路增加去耦電容，對(duì)增加去耦電容和沒(méi)有增加去耦電容的線路諧振特性進(jìn)行模擬檢測(cè)，結(jié)果如下：

請(qǐng)參考圖4和圖5，圖4為不含去耦電容的PCB板的諧振特性圖，圖5為含有去耦電容的PCB板的諧振特性圖。從圖中二者的對(duì)比可知，含有去耦電容的PCB板的諧振特性在高頻段得到明顯的優(yōu)化和改善。

最后，還需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種改善平面諧振特性的PCB及其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。