高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述
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(lái)越廣,對(duì)硬件的可靠性問(wèn)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(hào)速度的不斷提高,而信號(hào)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,分析原因,又找不出問(wèn)題所在。另外,由于市場(chǎng)的需求,產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來(lái)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(guò)驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn),來(lái)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(lái),在數(shù)字信號(hào)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(wèn)題。這樣,原來(lái)簡(jiǎn)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(hào)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(huì)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(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(pán)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)。下面只說(shuō)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(duì)于差分信號(hào),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(duì)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(guò)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(hào)完整性(SI)
SI是指信號(hào)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(hào)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(hào)完整性。反之,當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí),就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問(wèn)題。從廣義上講,信號(hào)完整性問(wèn)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(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸,信號(hào)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(hào)的延遲會(huì)對(duì)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(zhǎng)度和導(dǎo)線周?chē)橘|(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(hào)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(hào)波形發(fā)生畸變,甚至出現(xiàn)信號(hào)的過(guò)沖和下沖。如果信號(hào)在傳輸線上來(lái)回反射,就會(huì)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€之間都存在互容和互感,因此,當(dāng)一個(gè)器件或一根導(dǎo)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí),其變化會(huì)通過(guò)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(hào)質(zhì)量表現(xiàn)為幾個(gè)方面。對(duì)于大家熟知的頻率、周期、占空比、過(guò)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。
①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。
?、诘碗娖綍r(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。
?、劢r(shí)間(setup time),指一個(gè)輸入信號(hào)(input signal)在參考信號(hào)(reference signal)到達(dá)指定的轉(zhuǎn)換前必須保持穩(wěn)定的最短時(shí)間。
④保持時(shí)間(hold time),是數(shù)據(jù)在參考引腳經(jīng)過(guò)指定的轉(zhuǎn)換后,必須穩(wěn)定的最短時(shí)間,如圖4所示。
⑤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。
?、薇3謺r(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。
⑦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。
?、郥co(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(buffer delay)。
⑨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。
?、庾钚〗?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(hào)線,當(dāng)其中的一根信號(hào)線上的電流變化時(shí)(稱為aggressor,攻擊者),由于感應(yīng)電流的影響,另外一根信號(hào)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(wèn)題,必須用系統(tǒng)觀點(diǎn)來(lái)看。以下是將問(wèn)題的分解。
◆ 傳輸線效應(yīng)分析:阻抗、損耗、回流……
◆ 反射分析:過(guò)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PI
PI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(lái)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(hào)。
◆ 地彈噪聲。當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號(hào)同步進(jìn)行切換時(shí)(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(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲,在地線上還會(huì)出現(xiàn)地平面反彈噪聲(簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)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(hào)線上的電流勢(shì)必要找一個(gè)路徑,以從末端回到源端。一般會(huì)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(hào)走到模擬地線區(qū)域時(shí),就會(huì)產(chǎn)生地平面回流噪聲。
◆ 斷點(diǎn),是信號(hào)線上阻抗突然改變的點(diǎn)。如用過(guò)孔(via)將信號(hào)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(huì)增大反射。還有,從水平方向變?yōu)榇怪狈较虻?0
評(píng)論