高速PCB设计指南之三

第一篇 改进电路设计规程提高可测试性
  　　 随着微型化程度不断提高，元件和布线技术也取得巨大发展，例如BGA外壳封装的高集成度的微型IC，以及导体之间的绝缘间距缩小到0.5mm，这些仅是其中的两个例子。电子元件的布线设计方式，对以后制作流程中的测试能否很好进行，影响越来越大。下面介绍几种重要规则及实用提示。
  　　通过遵守一定的规程（DFT-Design for Testability，可测试的设计），可以大大减少生产测试的准备和实施费用。这些规程已经过多年发展，当然，若采用新的生产技术和元件技术，它们也要相应的扩展和适应。为了解决这些问题，可以在电路布局上采取相应的措施，采用新的测试方法和采用创新性适配器解决方案。第二个问题的解决还涉及到使原来作为独立工序使用的测试系统承担附加任务。这些任务包括通过测试系统对存储器组件进行编程或者实行集成化的元器件自测试（Built-in Self Test，BIST，内建的自测试）。将这些步骤转移到测试系统中去，总起来看，还是创造了更多的附加价值。为了顺利地实施这些措施，在产品科研开发阶段，就必须有相应的考虑。
  
  1、什么是可测试性
  可测试性的意义可理解为：测试工程师可以用尽可能简单的方法来检测某种元件的特性，看它能否满足预期的功能。简单地讲就是：
  l 检测产品是否符合技术规范的方法简单化到什么程度？
  l 编制测试程序能快到什么程度？
  l 发现产品故障全面化到什么程度？
  l 接入测试点的方法简单化到什么程度？
  　 　为了达到良好的可测试必须考虑机械方面和电气方面的设计规程。当然，要达到最佳的可测试性，需要付出一定代价，但对整个工艺流程来说，它具有一系列的好处，因此是产品能否成功生产的重要前提。
  2、为什么要发展测试友好技术
如果产品缺陷在生产测试中不能发现，则此缺陷的识别与诊断也会简单地被推移到功能和系统测试中去。相反地，今天人们试图尽可能提前发现缺陷，它的好处不仅仅是成本低，更重要的是今天的产品非常复杂，某些制造缺陷在功能测试中可能根本检查不出来。例如某些要预先装软件或编程的元件，就存在这样的问题。（如快闪存储器或ISPs：In-System Programmable Devices系统内可编程器件）。这些元件的编程必须在研制开发阶段就计划好，而测试系统也必须掌握这种编程。
  　　测试友好的电路设计要费一些钱，然而，测试困难的电路设计费的钱会更多。测试本身是有成本的，测试成本随着测试级数的增加而加大；从在线测试到功能测试以及系统测试，测试费用越来越大。如果跳过其中一项测试，所耗费用甚至会更大。一般的规则是每增加一级测试费用的增加系数是10倍。通过测试友好的电路设计，可以及早发现故障，从而使测试友好的电路设计所费的钱迅速地得到补偿。
  3、文件资料怎样影响可测试性
  　　只有充分利用元件开发中完整的数据资料，才有可能编制出能全面发现故障的测试程序。在许多情况下，开发部门和测试部门之间的密切合作是必要的。文件资料对测试工程师了解元件功能，制定测试战略，有无可争议的影响。
  　　为了绕开缺乏文件和不甚了解元件功能所产生的问题，测试系统制造商可以依靠软件工具，这些工具按照随机原则自动产生测试模式，或者依靠非矢量相比，非矢量方法只能算作一种权宜的解决办法。
  　　测试前的完整的文件资料包括零件表，电路设计图数据（主要是CAD数据）以及有关务元件功能的详细资料（如数据表）。只有掌握了所有信息，才可能编制测试矢量，定义元件失效样式或进行一定的预调整。
最后，对于可编程的元件，如快闪存储器，PLD、FPGA等，如果不是在最后安装时才编程，是在测试系统上就应编好程序的话，也必须知道各自的编程数据。快闪元件的编程数据应完整无缺。如快闪芯片含16Mbit的数据，就应该可以用到16Mbit，这样可以防止误解和避免地址冲突。例如，如果用一个4Mbit存储器向一个元件仅仅提供300Kbit数据，就可能出现这种情况。大部分测试系统，只要能够对快闪或ISP元件进行编程，是可以解读这些格式的。前面所提到的许多信息，其中许多也是元件制造所必须的。
  4、良好的可测试性的机械接触条件
  　　如果不考虑机械方面的基本规则，即使在电气方面具有非常良好的可测试性的电路，也可能难以测试。许多因素会限制电气的可测试性。如果测试点不够或太小，探针床适配器就难以接触到电路的每个节点。如果测试点位置误差和尺寸误差太大，就会产生测试重复性不好的问题。在使用探针床配器时，应留意一系列有关套牢孔与测试点的大小和定位的建议。
  5、最佳可测试性的电气前提条件
  　　电气前提条件对良好的可测试性，和机械接触条件一样重要，两者缺一不可。一个门电路不能进行测试，原因可能是无法通过测试点接触到启动输入端，也可能是启动输入端处在封装壳内，外部无法接触，在原则上这两情况同样都是不好的，都使测试无法进行。在设计电路时应该注意，凡是要用在线测试法检测的元件，都应该具备某种机理，使各个元件能够在电气上绝缘起来。这种机理可以借助于禁止输入端来实现，它可以将元件的输出端控制在静态的高欧姆状态。
  　　虽然几乎所有的测试系统都能够逆驱动（Backdriving）方式将某一节点的状态带到任意状态，但是所涉及的节点最好还是要备有禁止输入端，首先将此节点带到高欧姆状态，然后再“平缓地”加上相应的电平。
  　　同样，节拍发生器总是通过启动引线，门电路或插接电桥从振荡器后面直接断开。启动输入端决不可直接与电路相连，而是通过100欧姆的电阻与电路连接。每个元件应有自己的启动，复位或控制引线脚。必须避免许多元件的启动输入端共用一个电阻与电路相连。这条规则对于ASIC元件也适用，这些元件也应有一个引线脚，通过它，可将输出端带到高欧姆状态。如果元件在接通工作电压时可实行复位，这对于由测试器来引发复位也是非常有帮助的。在这种情况下，元件在测试前就可以简单地置于规定的状态。 (录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)
  　　不用的元件引线脚同样也应该是可接触的，因为在这些地方未发现的短路也可能造成元件故障。此外，不用的门电路往往在以后会被利用于设计改进，它们可能会改接到电路中来。所以同样重要的是，它们从一开始就应经过测试，以保证其工件可靠。
  6、改进可测试性
  　　使用探针床适配器时，改进可测试性的建议
  
  套牢孔
  l 呈对角线配置
  l 定位精度为±0.05mm （±2mil）
  l 直径精度为±0.076/-0mm （+3/-0mil）
  l 相对于测试点的定位精度为±0.05mm （±2mil）
  l 离开元件边缘距离至少为3mm
  l 不可穿通接触
  
  测试点
  l 尽可能为正方形
  l 测试点直径至少为0.88mm （35mil）
  l 测试点大小精度为±0.076mm （±3mil）
  l 测试点之间间隔精度为±0.076mm （±3mil）
  l 测试点间隔尽可能为2.5mm
  l 镀锡，端面可直接焊接
  l 距离元件边缘至少为3mm
  l 所有测试点应可能处于插件板的背面
  l 测试点应均匀布在插件板上
  l 每个节点至少有一个测试点（100％通道）
  l 备用或不用的门电路都有测试点
  l 供电电源的多外测试点分布在不同位置
  
  元件标志
  l 标志文字同一方向
  l 型号、版本、系列号及条形码明确标识
  l 元件名称要清晰可见，且尽可能直接标在元件近旁
  7、关于快闪存储器和其它可编程元件
  　　快闪存储器的编程时间有时会很长（对于大的存储器或存储器组可达1分钟）。因此，此时不容许有其它元件的逆驱动，否则快闪存储器可能会受到损害。为了避免这种情况，必须将所有与地址总线的控制线相连的元件置于高欧姆状态。同样，数据总线也必须能够被置于隔绝状态，以确保快闪存储器为空载，并可进行下步编程。
  系统内可编程元件（ISP）有一些要求，如Altera，XilinX和Lattuce等公司的产品，还有其它一些特殊要求。除了可测试性的机械和电气前提条件应得到保证外，还要保证具有编程和确证数据的可能性。对于Altera和Xilinx元件，使用了连串矢量格式（Serial Vector Format SVF），这种格式近期几乎已发展成为工业标准。许多测试系统可以对这类元件编程，并将连串矢量格式（SVF）内的输入数据用于测试信号发生器。通过边界扫描键（Boundary-Scan-Kette JTAG）对这些元件编程，也将连串数据格式编程。在汇集编程数据时，重要的是应考虑到电路中全部的元件链，不应将数据仅仅还原给要编程的元件。
  　　编程时，自动测试信号发生器考虑到整个的元件链，并将其它元件接入旁路模型中。相反，Lattice公司要求用JEDEC格式的数据，并通过通常的输入端和输出端并行编程。编程后，数据还要用于检查元件功能。开发部门提供的数据应尽可能地便于测试系统直接应用，或者通过简单转换便可应用。
  8、对于边界扫描（JTAG）应注意什么
  　　由基于复杂元件组成精细网格的组件，给测试工程师只提供很少的可接触的测试点。此时也仍然可能提高可测试性。对此可使用边界扫描和集成自测试技术来缩短测试完成时间和提高测试效果。
  对于开发工程师和测试工程师来说，建立在边界扫描和集成自测试技术基础上的测试战略肯定会增加费用。开发工程师必然要在电路中使用的边界扫描元件（IEEE-1149.1-标准），并且要设法使相应的具体的测试引线脚可以接触（如测试数据输入-TDI，测试数据输出-TDO，测试钟频-TCK和测试模式选择-TMS以及ggf.测试复位）。测试工程师给元件制定一个边界扫描模型（BSDL-边界扫描描述语言）。此时他必须知道，有关元件支持何种边界扫描功能和指令。边界扫描测试可以诊断直至引线级的短路和断路。除此之外，如果开发工程师已作规定，可以通过边界扫描指令“RunBIST”来触发元件的自动测试。尤其是当电路中有许多ASICs和其它复杂元件时，对于这些元件并不存在惯常的测试模型，通过边界扫描元件，可以大大减少制定测试模型的费用。
  　　时间和成本降低的程度对于每个元件都是不同的。对于一个有IC的电路，如果需要100％发现，大约需要40万个测试矢量，通过使用边界扫描，在同样的故障发现率下，测试矢量的数目可以减少到数百个。因此，在没有测试模型，或接触电路的节点受到限制的条件下，边界扫描方法具有特别的优越性。是否要采用边界扫描，是取决于开发利用和制造过程中增加的成本费用。衽边界扫描必须和要求发现故障的时间，测试时间，进入市场的时间，适配器成本进行权衡，并尽可能节约。在许多情况下，将传统的在线测试方法和边界扫描方法混合盐业的方案是最佳的解决方式
  
  第二篇 混合信号PCB的分区设计
  　　 摘要：混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电路的性能。
  如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。
  　　有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。
  
  　
  
  
  　　如图1所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两个地之间的间隙，信号电流的返回路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流一起会构成偶极天线。 (录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)
  　　了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。
  　　采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。
  要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低)，直接位于信号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层，而无论这个临近层是电源层还是地线层。
  　　在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。
  　　只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正的原因是数字信号的布线不适当。
  　　PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。对于这样的布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。
  　　在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大部分的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大部分A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的连接)，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议，需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。
  
  　　如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。如图3 中所示，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。
  　　如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。
  
  　　 最好的办法是开始时就用统一地。如图4 所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。
  如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能，然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。
  #分割地的方法还有用吗？
  　　在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上；另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。
  　　在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。
  #混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点：
  1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。
  2.合适的元器件布局。
  3.A/D转换器跨分区放置。
  4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。
  5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。
  6.在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。
  7.实现模拟和数字电源分割。
  8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。
  9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。