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PCB走线角度为什么不能选90°直角?


2022年05月17日 10:49:24来源:作者:我要评论(0

高频高速信号传输线应避免以90°的拐角走线,是各种PCB Design Guide中极力要求的,因为高频高速信号传输线需要保持特性阻抗一致,而采用90°拐角走线,在传输线拐角处,会改变线宽,90°拐角处线宽约为正常线宽的 1.414倍,由于线宽改变了,就会造成信号的反射,同时,拐角处的额外寄生电容也会对信号的传输造成时延影响。

当然,当信号沿着均匀互连线传播时,不会产生反射和传输信号的失真,如果均匀互连线上有一个90°拐角会,则会在拐角处造成pcb传输线宽的变化,根据相关电磁理论计算得出,这肯定会带来信号的反射影响。

理论上是这样,但理论终究是理论,实际情况90°拐角对高速信号传输线造成的影响是否是举足轻重的呢?

所以,90°拐角对高速信号传输线会有负面影响,理论上是一定的,但是这种影响是不是致命的?90°拐角对于高速数字信号和高频微波信号传输线的影响是不是一样的?

根据 这篇论文《right angle corners on printed circuit board traces,time and frequency domain analysis》和 Howard Johnson 的这篇文章《Who’s Afraid of the Big Bad Bend?》及 Eric Bogatin 的著作 《信号完整性与电源完整性分析(第二版) 》第八章的内容,我们可以得出以下结论:

对于高速数字信号来说,90°拐角对高速信号传输线会造成一定的影响,对于我们现在高密高速pcb来说,一般走线宽度为4-5mil,一个90°拐角的电容量大约为10fF,经测算,此电容引起的时延累加大约为0.25ps,所以,5mil线宽的导线上的90°拐角并不会对现在的高速数字信号(100-psec上升沿时间)造成很大影响。

而对于高频信号传输线来说,为了避免集肤效应(Skin effect)造成的信号损坏,通常会采用宽一点的信号传输线,例如50Ω阻抗,100mil线宽,这90°拐角处的线宽约为141mil,寄生电容造成的信号延时大约为25ps,此时,90°拐角将会造成非常严重的影响。同时,微波传输线总是希望能尽量降低信号的损耗,90°拐角处的阻抗不连续和而外的寄生电容会引起高频信号的相位和振幅误差、输入与输出的失配,以及可能存在的寄生耦合,进而导致电路性能的恶化,影响 PCB 电路信号的传输特性。

关于90°信号走线,尽量避免以90°走线,单个90°拐角对高速数字传输线所带来的信号质量影响,相对于导线与参考平面高度的偏差,导线自身蚀刻过程中线宽线距均匀性的变化偏差,板材介电常数对频率信号的变化,甚至过孔寄生参数所带来的影响都要比90°拐角所带来的问题大得多。但是如今的高速数字电路传输线总避免不了要绕等长的,十几二十个拐角叠加起来,这90°拐角所累计叠加起来的影响造成的信号上升延时将变得不可忽略。高速信号总是沿着阻抗最小的路径传输,以90°拐角绕等长,最终的实际信号传输路径会比原来的要略短一些。

而且现在的高速数字信号传输速率正在变得越来越高,目前的HDMI2.0标准,传输带宽速率已经达到了18Gbps,90°拐角走线将不再符合要求,而且现在都21世纪了,现在的EDA软件即便是那些免费使用的,对45°走线都已经支持的很好了。

同时,以90°拐角走线,以工程美学来说,也不太符合人们的审美观。所以,对于现在的layout来说,不论你是不是走的高频/高速信号线,我们都要尽量避免以90°拐角进行走线,除非有特殊的要求。对于大电流走线,有时我们会以铺铜铜皮替换走线的方式布线,在铺铜的拐角处,也需要以两个45°拐角替换90°拐角,这样不仅美观,而且不会存在EMI隐患。

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