高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站摘要：隨著目前新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，高速單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣，對硬件的可靠性問題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。     關(guān)鍵詞：高速單片機(jī) 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 熱設(shè)計(jì)引 言隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號速度的不斷提高，而信號的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，

2、分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢?硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當(dāng)多，這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設(shè)計(jì)等5個(gè)部分。1 特性阻抗近年來，在數(shù)字信號速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時(shí)，還應(yīng)考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問題。這樣，原來簡單的導(dǎo)線，逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類的復(fù)雜傳輸線了。在高頻情況下，印制板（PCB）上傳輸信號的銅導(dǎo)線可被視為由

3、一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導(dǎo)線路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應(yīng)，會得到以下公式：式中Z0即特性阻抗，單位為。PCB的特性阻抗Z0與PCB設(shè)計(jì)中布局和走線方式密切相關(guān)。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。在PCB的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有4種：表面微帶線（surface microstrip）、嵌入式微帶線（embedded microstrip）、帶狀線（stripline）、雙帶線（dual-stripline）

4、。下面只說明表面微帶線結(jié)構(gòu)，其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。    Z0的計(jì)算公式如下：對于差分信號，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：公式中：PCB基材的介電常數(shù)；bPCB傳輸導(dǎo)線線寬；d1PCB傳輸導(dǎo)線線厚；d2PCB介質(zhì)層厚度；D差分線對線邊沿之間的線距。從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個(gè)參數(shù)，可以得到相應(yīng)的特性阻抗。2 信號完整性（SI）SI是指信號在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中的信號能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當(dāng)信號不能正

5、常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性問題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲和電磁兼容性。延遲是指信號在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號的延遲會對系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號的過沖和下沖。如果信號在傳輸線上來回反射，就會產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。由于PCB板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€之間都存在互容和

6、互感，因此，當(dāng)一個(gè)器件或一根導(dǎo)線上的信號發(fā)生變化時(shí)，其變化會通過互容和互感影響其它器件或?qū)Ь€，即串?dāng)_。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。信號質(zhì)量表現(xiàn)為幾個(gè)方面。對于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時(shí)間、下降時(shí)間等，在此就不作詳細(xì)介紹了。下面主要介紹幾個(gè)重要概念。高電平時(shí)間（high time），指在一個(gè)正脈沖中高于Vih_min部分的時(shí)間。低電平時(shí)間（low time），指在一個(gè)負(fù)脈沖中低于Vil_max部分的時(shí)間，如圖3所示。建立時(shí)間（setup time），指一個(gè)輸入信號（input signal）在參考信號（reference signal）到達(dá)指定的轉(zhuǎn)換前必

7、須保持穩(wěn)定的最短時(shí)間。保持時(shí)間（hold time），是數(shù)據(jù)在參考引腳經(jīng)過指定的轉(zhuǎn)換后，必須穩(wěn)定的最短時(shí)間，如圖4所示。建立時(shí)間裕量（setup argin），指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立時(shí)間與接收端芯片所要求的最小建立時(shí)間的差值。保持時(shí)間裕量（hold argin），指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保持時(shí)間與接收端芯片所要求的最小保持時(shí)間之間的差值。時(shí)鐘偏移（clock skew），指不同的接收設(shè)備接收到同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸出之間的時(shí)間差。Tco（time clock to output，時(shí)鐘延遲），是一個(gè)定義包括一切設(shè)備延遲的參數(shù)，即Tco=內(nèi)部邏輯延遲 （internal logic delay） + 緩沖器延遲（buf

8、fer delay）。最大經(jīng)歷時(shí)間（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到達(dá)高閾值電壓的時(shí)間，并保持高電平之上，減去驅(qū)動(dòng)所需的緩沖延遲。最小經(jīng)歷時(shí)間（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到達(dá)低閾值電壓的時(shí)間，減去驅(qū)動(dòng)所需的緩沖延遲。時(shí)鐘抖動(dòng)（clock jitter），是由每個(gè)時(shí)鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動(dòng)而引起的。一般由于PLL在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性引起，同時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)引起了有效時(shí)鐘周期的減小。串?dāng)_（crosstalk）。鄰近的兩根信號線，當(dāng)其中的一根信號線上的電流變化時(shí)（稱為aggressor，攻擊者），由于感應(yīng)電流

9、的影響，另外一根信號線上的電流也將引起變化（稱為victim，受害者）。SI是個(gè)系統(tǒng)問題，必須用系統(tǒng)觀點(diǎn)來看。以下是將問題的分解。 傳輸線效應(yīng)分析：阻抗、損耗、回流 反射分析：過沖、振鈴 時(shí)序分析：延時(shí)、抖動(dòng)、SKEW 串?dāng)_分析 噪聲分析：SSN、地彈、電源下陷 PI設(shè)計(jì)：確定如何選擇電容、電容如何放置、PCB合適疊層方式 PCB、器件的寄生參數(shù)影響分析 端接技術(shù)等3 電源完整性PIPI的提出，源于當(dāng)不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進(jìn)行SI分析時(shí)所帶來的巨大誤差，相關(guān)概念如下。 電子噪聲，指電子線路中某些元器件產(chǎn)生的隨機(jī)起伏的電信號。 地彈噪聲。當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號同步進(jìn)行切換時(shí)(

10、如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等)，由于電源線和地線上存在阻抗，會產(chǎn)生同步切換噪聲，在地線上還會出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡稱地彈)。SSN和地彈的強(qiáng)度也取決于集成電路的I/O特性、PCB板電源層和地平面層的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布線方式。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會導(dǎo)致地彈的增大。 回流噪聲。只有構(gòu)成回路才有電流的流動(dòng)，整個(gè)電路才能工作。這樣，每條信號線上的電流勢必要找一個(gè)路徑，以從末端回到源端。一般會選擇與之相近的平面。由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當(dāng)數(shù)字信號走到模擬地線區(qū)域時(shí)，就會產(chǎn)生地平面回

11、流噪聲。 斷點(diǎn)，是信號線上阻抗突然改變的點(diǎn)。如用過孔（via）將信號輸送到板子的另一側(cè)，板間的垂直金屬部分是不可控阻抗，這樣的部分越多，線上不可控阻抗的總量就越大。這會增大反射。還有，從水平方向變?yōu)榇怪狈较虻?0°的拐點(diǎn)是一個(gè)斷點(diǎn)，會產(chǎn)生反射。如果這樣的過孔不能避免，那么盡量減少它的出現(xiàn)。在一定程度上，我們只能減弱因電源不完整帶來的系列不良結(jié)果，一般會從降低信號線的串繞、加去耦電容、盡量提供完整的接地層等措施著手。4 EMCEMC包括電磁干擾和電磁抗干擾兩個(gè)部分。一般數(shù)字電路EMS能力較強(qiáng)，但是EMI較大。電磁兼容技術(shù)的控制干擾，在策略上采用了主動(dòng)預(yù)防、整體規(guī)劃和“對抗”與“疏導(dǎo)”相

12、結(jié)合的方針。主要的EMC設(shè)計(jì)規(guī)則有： 20H規(guī)則。PowerPlane（電源平面）板邊緣小于其與GroundPlane（地平面）間距的20倍。 接地面處理。接地平面具有電磁學(xué)上映象平面(ImagePlane) 的作用。若信號線平行相鄰于接地面，可產(chǎn)生映像電流抵消信號電流所造成的輻射場。PCB上的信號線會與相鄰的接地平面形成微波工程中常見的Micro-strip Line（微帶線）或Strip Line（帶狀線）結(jié)構(gòu)，電磁場會集中在PCB的介質(zhì)層中，減低電磁輻射。因?yàn)椋琒trip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些輻射較大的走線，如時(shí)鐘線等，最好走成St

13、rip Line結(jié)構(gòu)。 混合信號PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)。第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。相反，如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線；而如果信號不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線。對于實(shí)在必須跨區(qū)的情況，需要通過，在兩區(qū)之間加連接高頻電容等技術(shù)。 通過PCB分層堆疊設(shè)計(jì)控制EMI輻射。PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧，通過合適的疊層也可以降低EMI。從信號走線來看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對于電源，好的分層策略應(yīng)該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可

14、能小，這就是我們所講的“分層策略。 降低EMI的機(jī)箱設(shè)計(jì)。實(shí)際的機(jī)箱屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱及觀察要求，其上一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。一般來說，孔縫泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率及孔的深度。 其它技術(shù)。在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。為了控制共

15、模EMI，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對。問題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是0.5mm（6mil），夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。5 熱設(shè)計(jì)電子元件密度比以前高了很多，同時(shí)功率密度也相應(yīng)有了增加。由于電子元器件的性能會隨溫度發(fā)生變化，溫度越高其電氣性能會越低。(1)數(shù)字電路散熱原理半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量來源于芯片的功耗，熱量的累積必定導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的升高。隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會下降，因此芯片廠家都規(guī)定了半導(dǎo)

16、體器件的結(jié)點(diǎn)溫度。在高速電路中，芯片的功耗較大，在正常條件下的散熱不能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問題。在通常條件下，熱量的傳遞通過傳導(dǎo)、對流、輻射3種方式進(jìn)行。散熱時(shí)需要考慮3種傳熱方式。例如使用導(dǎo)熱率好的材料，如銅、鋁及其合金做導(dǎo)熱材料，通過增加風(fēng)扇來加強(qiáng)對流，通過材料處理來增強(qiáng)輻射能力等。簡單熱量傳遞模型： 熱量分析中引入一個(gè)熱阻參數(shù)，類似于電路中的電阻。如果電路中的電阻計(jì)算公式為R=E/I，則對應(yīng)的熱阻對應(yīng)公式為R=t/P（P表示功耗，單位W；t表示溫差，單位）。熱阻的單位為/W，表示功率增加1W時(shí)所引起的溫升。考慮集成芯片的熱量傳遞，可以使用圖5描述的溫度計(jì)算模型。由上所述，可推導(dǎo)出TcTjP× RJC也就是說，當(dāng)Tc實(shí)測值小于根據(jù)數(shù)據(jù)手冊所提供數(shù)據(jù)計(jì)算出的最大值時(shí)，芯片可正常工作。(2)散熱處理為了保證芯片能夠正常工作，必須使Tj不超過芯片廠家提供的允許溫度。根據(jù)Tj=Ta+P×R可知，如果環(huán)境溫度降低，或者功耗減少、熱阻降低等都能夠使Tj降低。實(shí)際使用中，對環(huán)境溫度的要求可能比較苛刻，功耗降低只能依靠芯片廠家技術(shù)，所以為了保證芯片的正常工作，設(shè)計(jì)人員只能在降低熱阻方面考慮。如圖5所示