單片機硬件參數(shù)設(shè)計解析

摘要：隨著目前新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，高速單片機的應(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設(shè)計的關(guān)鍵點。
關(guān)鍵詞：高速單片機 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 熱設(shè)計
引 言
隨著單片機的頻率和集成度、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)計好的、使用很穩(wěn)定的單片機系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯誤，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來實現(xiàn)，設(shè)計人員如何快速掌握高速設(shè)計呢?
硬件設(shè)計包括邏輯設(shè)計和可靠性的設(shè)計。邏輯設(shè)計實現(xiàn)功能。硬件設(shè)計工程師可以直接通過驗證功能是否實現(xiàn)，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當多，這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計，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)計等5個部分。
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，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Ω。
PCB的特性阻抗Z0與PCB設(shè)計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）。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)；
b——PCB傳輸導(dǎo)線線寬；
d1——PCB傳輸導(dǎo)線線厚；
d2——PCB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序、持續(xù)時間和電壓幅度到達IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當信號不能正常響應(yīng)時，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個方面：延遲、反射、串擾、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)出到達接收端，其間存在一個傳輸延遲。信號的延遲會對系統(tǒng)的時序產(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)的特征阻抗與負載阻抗不匹配時，信號到達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板上的任何兩個器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感，因此，當一個器件或一根導(dǎo)線上的信號發(fā)生變化時，其變化會通過互容和互感影響其它器件或?qū)Ь€，即串擾。串擾的強度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。