十二、背板、带状电缆和功能板-1.ppt

1、第十二章 背板、带状电缆和功能板,本章用“互连”这个词代表背板、带状电缆和功能板。 设计互连时，所涉及的问题包括：线条阻抗、电源供给系统的纯洁度、装配结构、线条端接、信号布线拓扑、串音和线条长度。,基础知识,设计一个互连之间，首先要确定连接器插针安排 两块装配在一起的PCB板之间的阻抗匹配是对高技术产品的基本要求 因为背板有很大的跳线通孔，线条经这些通孔进入连接器，每插入一个PCB板，背板线条阻抗就有所减小 尽管微带线或带状线阻抗受控制连接器比传统的连接器费用高，但可以降低或避免适配卡、背板、电缆或母版间的阻抗失配,连接器输出端插针安排,系统中主要RF能量来自于背板和母板或母板和功能板之间的物

2、理连接。差模波的不平衡传播是产生共模能量的一个途径，共模能量会引起电磁干扰问题 背板或粗糙设计的互连结构，通常是由多条平行信号线条组成，包括时钟信号线，共用一个单点共地回路插针或引线 当对整个长度的连接器设计接地插针时，必须减小地环路面积，以防止高幅度的强RF电流耦合到其他的元件或子系统中 当设计互连时，必须考虑所有的时钟线和周期信号线,电源,电源,信号,信号,信号,信号,信号,信号,时钟线,地,地,地,改进前的输出插针结构,减少信号线的数量改进输出插针结构,电源,电源,地,地,时钟线,地,地,地,地,信号,信号,信号,AC底板平面,除了通过旁路电容外，AC底板平面与其他参考平面没有直接的连接

3、 AC底板平面必须直接靠近一个电位参考平面，可以在AC底板平面和电位参考平面间提供电容紧耦合，减少使用分立电容的数量 在高频的情况下，由于AC底板平面和电位参考平面间的电容，这些平面是有效地连接在一起的 AC平面总是沿着连续的轴和金属底板连接，在高频，这就将数字零电位参考平面短路连接了底板,背板结构,由于感应噪声电压和高频RF电流注入平面层，电源配送系统的纯净问题 保证包含平行布线的总线中的信号质量问题 每一线条的阻抗控制和容性负载问题 RF电流的板间耦合问题 子板到插卡板座间的场的转移耦合问题,阻抗控制和容性负载 当多个印制板插入背板时，背板上印制线的特性阻抗会由于每个插板的容性负载而发生改

4、变 在设计背板时，必须考虑负载阻抗特性，而且PCB线条必须和负载阻抗特性相匹配 如果要求PCB板可以适用于多种特性阻抗（30-70），设计时应该选择适用范围的中间值为特性阻抗（50 ）,电源平面的纯净化 电源和地平面的污染会影响敏感元件的操作性能。这些电源污染可能产生于电源配送电路的开关噪声、外界的RF场、静电放电、电力过压、I/O电缆和连接器、有电动机的外围设备和磁性元件向电源系统注入感应开关噪声 当多个板插入到背板插槽时可能会出现压降，于是一个插板就比另外的插在组装部件对端的低耗电的插板消耗的功率多 数字元件内产生的地反弹影响时破坏信号完整性的主要因素。最大容性负载情况下，许多大功耗电路同

5、时开关所有的逻辑管脚时最容易观察到地反弹。,平行布线的信号质量 串音是主要问题但又经常被忽视，通常不可能在相邻的带状线平面的同一层上同时平行和垂直布线，物理上相互靠近放置的两个带状线层发生串音，能破坏临近布线层的信号完整性，在高速、高技术多层背板中，绝不能把两个信号平面相互靠近布置,子板到插卡板座间的场的转移耦合 这种情况同板间RF电流耦合的情况类似，只是此时PCB产生的RF场可以耦合到机架、插卡板座或互联部件上 恰当的背板到插卡板座的连接是采取在背板和插卡板座间建立极低阻抗RF参考点的技术实现，这种连接方法是能够短路功能板上和功能板间产生的涡流，涡流通过分布转移阻抗耦合到插卡板座 简单的办法

6、是短路背板和插卡板座间的共模电压，可以通过在插卡板座的周围等间隔多点连接到背板零电位参考面的方式，也可以通过将地平面紧紧靠近机架底板平面放置的方式来实现,RF电流的板间耦合 对于多印制板结构，通常总是考虑各自的基座的布置而没有考虑插板要放在那里、是否放在靠近强干扰源的另一块插板了,图 板间辐射耦合,布线层数 背板或者适配板起码要用四层板，其中两层用于布线，两层用于电位层，只有很好地控制了布线层的信号线的阻抗，而且其参考平面为接地平面而不是电源平面时才能获得最好的电磁干扰和系统性能。有许多方法可以确定背板或者带状电缆的叠层结构，如： 外层用作信号布线层 设计六层以上的背板时，要在每一个布线层附件

7、都放置一个参考平面层，在尽可能多的位置上将接地平面连接到机架地，用旁路电容作为互连手段，除了印制板的四个边之外，在尽可能多的位置提供可选的接地平面旁路电容，只有在满足EMI或系统功能的需要时才在逻辑电路和机架地间安装这些可选的旁路电容,外层用作接地层 对于高速、高密度、十层以上的情形，在PCB板、安装插座、面板和背板之间会产生RF共模涡流。背板和母板间的连接器对通常具有特定的阻抗值可以导致背板和母板间阻抗失配。 由于阻抗不匹配，在接口连接器内部产生磁通量。 必须将这个磁通量引导到底板，以免产生差模RF场。 如果背板的顶层是布线层，连接器里的磁通量会耦合到PCB板外层的信号线中，产生电动势影响。

8、背板上新产生的电动势影响就通过机架传输，导致关于机架地的低阻抗连接。 如果背板或者插板的顶层和底层是地电位的实平面，背板连接器和面板螺钉就都可以实现与机架地的低阻抗连接。 所有信号布线层必须是内层布线，其顶层和底层都是实心平板层，最好要处于交流机架电位，如果外层是零电位，就可以直接经机架实现由逻辑地到机架地的连接。,图 背板互连阻抗分析,接线插槽数 决定最快时钟或周期信号的必须贯穿背板结构的印制线条的最快边沿速率 使用相关公式计算线条的最大电气长度 如果有许多互连线，就测量两端点的连接器间的往返路程的物理长度，一定要包括信号线传输到插入背板或母板里的适配板的距离 对于有许多连接器的情况，选择一

9、种最坏的情况进行时间分析并确定是否会由于电容耦合而出现波形衰减 如果两端点的连接器间的物理间隔是电气长，相对于适配卡上的电源/负载来说，这一点非常重要，对于电气长的信号线条通常需要端接 接线插槽数量越多，对电路呈现的集总分布电容也越大,互连,在背板、带状电缆和功能板间的互连中存在着大量的连接，特别是在有大量连接器时，当设备组装中有许多连接插槽时，器件的固有延迟之和将出现在连接到母线上的负载之间。当印制板插入时，线条的固有延迟之外又附加了器件的延迟。 选择I/O连接器应该能使边沿速率的改变不降档，为了保持信号的完整性，连接器阻抗失配必须最小。连接器必须提供足够的接地和电源插针，以保证整个装配结构

10、保持恒定的阻抗。 背板或插板的连接器用于高速工作时，必须考虑反弹对信号传输质量的影响。,互连线的平行布线技术如下： 使所有线条布线的不连续段尽可能短 在连接器的安装空间中或输出的引出端里尽可能多设置接地点 在连接器内设置一个共模参考地 使用低介电常数材料，介电常数越低、信号的传输速度越快 使RF回流路径尽量靠近信号路径,机械结构,应该设法在背板上给支撑电路提供附加区域，这块区域提供给滤波、I/O连接器匹配终端以及电源连接使用 在多层印制板上的每一个接地的缝缀点处的所有回路和屏蔽层必须是RF加固方式连接到机架地，回流平面与屏蔽层面通过旁路电容器实现等位。直流电源及其返回的连接器插针必须在连接器里

11、等间隔放置，以便减小由两个插针间不合适的比例、RF回路中断、或者不合理的布线产生的RF地环流。信号线、电源和接地引脚间最大间隔只能有1.27cm。 为防止平行印制线条间的串音干扰，两线条间距要满足3-W原则，敏感的印制线条两侧所附加的保护线也要遵守3-W原则,信号路由,应该避免使用跳线在层间布置高危信号线（即复位、时钟、音频、视频、模拟、高速传输的数据等类似的信号） 使用I/O连接器和互连线时，减小接头残端很重要，接头残端也称做T-形残端或分叉线条，有时会在布线过程中出现 如果因为设计或路由问题，必须使用T-形残端，应该使其尽量短 T-形残端的潜在的或致命的缺点是不利于对PCB板改造，如果其他

12、设计师或PCB设计者改变原PCB设计以便实现功能更新或再设计，原来的T-形残端的设计就不再适用了,串音,背板、带状电缆结构、适配槽等类似结构中的串音是保证信号的完整性和电磁兼容性主要考虑的因素，这是因为其中有许多平行线条而且通常靠得很近 与平行线条的串音相关的主要的考虑是要防止一个线条上（信号源线）的电噪声对受扰线条产生有害干扰。当处理大总线结构时，有三种传播模式：线条到线条的耦合；线条到结构的耦合和结构到结构的耦合 对于多个印制板的结构，除非采用背板结构，其余的一般都用带状电缆或柔性电缆实现板到板互连。为了能够布置最大数量的信号导线，工程师常常在装配结构中只设计一条信号回流导线而把其余的互连

13、插针都分配给信号线使用，这种插针的设计很不好： 从回流路径远处来的信号线会产生一个相当大的差模RF返回环路，其结果是环路区域会导致高效率辐射，同时也会在相邻导线间发生串音 这样的结构对外部空间的感应也很敏感,当跨越边界的时候，有三种类型的信号传输结构： 零电位参考线靠近每一个信号线 在装配结构中，一个地平面或RF回流路径靠近所有的信号线 用双绞线带状电缆 当多根带状电缆相互堆叠在一起时，在带状线的装配结构之间最好采用屏蔽体分隔开。,图 为避免串音在平行线路径上所使用的各种互连结构,承载高频数据的互连对零电位回流路径的结构非常敏感，最普遍的布线方式时仅仅提供一个回流插针并通常处于装配结构的末端，

14、这种结构使信号在装配结构的另一半产生一个较大的感应环路区域，这是最不希望发生的情形。 减小背板或插板装配串音的首选结构是给每个信号提供单独的回路，上图中的设计能提供几乎最理想的防止EMI的性能，同时还能确保具有恒定阻抗的传输线路由。这种结构的缺点是增加了设计尺寸和实现的成本。一种替代的设计技术时每两个信号线提供一条回流路径，此时，尽管达不到一线一地结构的性能，但是仍然可以使感应环路面积较小。 如果需要很长的平行布线路径并且线条达到电气长，就应当应用传输线理论进行分析。对于成对的信号线，如果有必要，可以在PCB内进行线条交叉以便减小串音，这种技术很少使用，因为可以采用更经济的数据线滤波器来增强布

15、线的技术性能。,图 在背板或平行母线结构中的接地切缝,如图所示，接续器的返回电流不能再其对应的线条路径下面直接形成自身的镜像电流。而是，由于超大尺寸的通孔产生了连续的切缝，RF回流电流就转向了连接器部件的终端。为改善这个问题，在所有通孔的周围必须留有足够的实铜导体的参考平面。 图中也表明了，相互平行的线条的RF回流电流实际上是在通孔切缝的边沿处重叠在一起的。,接地环路控制,当选用一层、两层、或者四层印制电路板作为背板时，必须注意减小所有的信号源印制线条和接地线条间的接地环路，信号线的路由上必须有尽可能多的地通路，并且要通过连接器或者接口互连到主干参考地，电源线盒地线必须始终靠近布放，这种结构一般用于带状电缆装配，对典型的PCB板布线不一定可行,图 背板或带状电缆组装的接地环路控制,背板接地层的切缝,设计背板时，常见的实际问题是选择压接式连接器或通孔插针式的连接器。新技术连接器带有大量的表面贴装结构的插针，表面贴装连接器经跳线把信号线布放到内层，根