單片機(jī)硬件參數(shù)設(shè)計(jì)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(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(mǎn)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(lèi)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(chēng)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。
    ②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。
    ③建立時(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。
    ⑥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。
    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。
    ⑧Tco（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。
    ⑩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(hào)線，當(dāng)其中的一根信號(hào)線上的電流變化時(shí)（稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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°的拐點(diǎn)是一個(gè)斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生反射。如果這樣的過(guò)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(lái)的系列不良結(jié)果，一般會(huì)從降低信號(hào)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 EMC
    EMC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(duì)抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的方針。
    主要的EMC設(shè)計(jì)規(guī)則有：
    ① 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。
    ② 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(hào)線平行相鄰于接地面，可產(chǎn)生映像電流抵消信號(hào)電流所造成的輻射場(chǎng)。PCB上的信號(hào)線會(huì)與相鄰的接地平面形成微波工程中常見(jiàn)的Micro-strip Line（微帶線）或Strip Line（帶狀線）結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)會(huì)集中在PCB的介質(zhì)層中，減低電磁輻射。
    因?yàn)?，Strip 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Strip Line結(jié)構(gòu)。
    ③ 混合信號(hào)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(hào)不能通過(guò)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(duì)于實(shí)在必須跨區(qū)的情況，需要通過(guò)，在兩區(qū)之間加連接高頻電容等技術(shù)。
    ④ 通過(guò)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(guò)合適的疊層也可以降低EMI。
    從信號(hào)走線來(lái)看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號(hào)走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)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能小，這就是我們所講的“分層＂策略。
    ⑤ 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(kāi)有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來(lái)抑制孔縫的電磁泄漏。一般來(lái)說(shuō)，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。
    ⑥ 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(lái)得更快。然而，問(wèn)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(wú)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(huì)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(duì)。問(wèn)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(huì)隨溫度發(fā)生變化，溫度越高其電氣性能會(huì)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(lái)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(huì)下降，因此芯片廠家都規(guī)定了半導(dǎo)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(guò)允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問(wèn)題。
    在通常條件下，熱量的傳遞通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)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(guò)增加風(fēng)扇來(lái)加強(qiáng)對(duì)流，通過(guò)材料處理來(lái)增強(qiáng)輻射能力等。
    簡(jiǎn)單熱量傳遞模型：熱量分析中引入一個(gè)熱阻參數(shù)，類(lèi)似于電路中的電阻。如果電路中的電阻計(jì)算公式為R=ΔE/I，則對(duì)應(yīng)的熱阻對(duì)應(yīng)公式為R=Δt/P（P表示功耗，單位W；Δt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
    Tc＝Tj－P× RJC
    也就是說(shuō)，當(dāng)Tc實(shí)測(cè)值小于根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)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(guò)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(duì)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。
    結(jié) 語(yǔ)
    以上提到的高速單片機(jī)設(shè)計(jì)思想和方法，目前已經(jīng)在國(guó)外的公司得到實(shí)踐和發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)這方面的研究和實(shí)踐還很少。該設(shè)計(jì)思想在我們公司實(shí)踐、摸索，提高了產(chǎn)品可靠性。在這里推薦給各位同行，期望共同探討。