单片机硬件参数设计解析

  摘要：随着目前新技术、新工艺的不断出现，高速单片机的应用越来越广，对硬件的可靠性问题便提出更高的要求。本文将从硬件的可靠性角度描述高速单片机设计的关键点。
    关键词：高速单片机 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 热设计
    引 言
    随着单片机的频率和集成度、单位面积的功率及数字信号速度的不断提高，而信号的幅度却不断降低，原先设计好的、使用很稳定的单片机系统，现在可能出现莫名其妙的错误，分析原因，又找不出问题所在。另外，由于市场的需求，产品需要采用高速单片机来实现，设计人员如何快速掌握高速设计呢?
    硬件设计包括逻辑设计和可靠性的设计。逻辑设计实现功能。硬件设计工程师可以直接通过验证功能是否实现，来判定是否满足需求。这方面的资料相当多，这里就不叙述了。硬件可靠性设计，主要表现在电气、热等关键参数上。我将这些归纳为特性阻抗、SI、PI、EMC、热设计等5个部分。
    1 特性阻抗
    近年来，在数字信号速度日渐增快的情况下，在印制板的布线时，还应考虑电磁波和有关方波传播的问题。这样，原来简单的导线，逐渐转变成高频与高速类的复杂传输线了。
    在高频情况下，印制板（PCB）上传输信号的铜导线可被视为由一连串等效电阻及一并联电感所组合而成的传导线路，如图1所示。只考虑杂散分布的串联电感和并联电容的效应，会得到以下公式：
    式中Z0即特性阻抗，单位为Ω。
    PCB的特性阻抗Z0与PCB设计中布局和走线方式密切相关。影响PCB走线特性阻抗的因素主要有：铜线的宽度和厚度、介质的介电常数和厚度、焊盘的厚度、地线的路径、周边的走线等。
    在PCB的特性阻抗设计中，微带线结构是最受欢迎的，因而得到最广泛的推广与应用。最常使用的微带线结构有4种：表面微带线（surface microstrip）、嵌入式微带线（embedded microstrip）、带状线（stripline）、双带线（dual-stripline）。下面只说明表面微带线结构，其它几种可参考相关资料。表面微带线模型结构如图2所示。
    Z0的计算公式如下：
    对于差分信号，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：
    公式中：
    ——PCB基材的介电常数；
    b——PCB传输导线线宽；
    d1——PCB传输导线线厚；
    d2——PCB介质层厚度；
    D——差分线对线边沿之间的线距。
    从公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2决定。通过控制以上4个参数，可以得到相应的特性阻抗。

2 信号完整性（SI）
    SI是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中的信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换噪声和电磁兼容性。
    延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响。在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。
    当PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。如果信号在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。
    由于PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容和互感，因此，当一个器件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其它器件或导线，即串扰。串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。

   信号质量表现为几个方面。对于大家熟知的频率、周期、占空比、过冲、振铃、上升时间、下降时间等，在此就不作详细介绍了。下面主要介绍几个重要概念。
    ①高电平时间（high time），指在一个正脉冲中高于Vih_min部分的时间。
    ②低电平时间（low time），指在一个负脉冲中低于Vil_max部分的时间，如图3所示。
    ③建立时间（setup time），指一个输入信号（input signal）在参考信号（reference signal）到达指定的转换前必须保持稳定的最短时间。
    ④保持时间（hold time），是数据在参考引脚经过指定的转换后，必须稳定的最短时间，如图4所示。
    ⑤建立时间裕量（setup argin），指所设计系统的建立时间与接收端芯片所要求的最小建立时间的差值。
    ⑥保持时间裕量（hold argin），指所设计系统的保持时间与接收端芯片所要求的最小保持时间之间的差值。
    ⑦时钟偏移（clock skew），指不同的接收设备接收到同一时钟驱动输出之间的时间差。
    ⑧Tco（time clock to output，时钟延迟），是一个定义包括一切设备延迟的参数，即Tco=内部逻辑延迟 （internal logic delay） + 缓冲器延迟（buffer delay）。
    ⑨最大经历时间（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到达高阈值电压的时间，并保持高电平之上，减去驱动所需的缓冲延迟。
    ⑩最小经历时间（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到达低阈值电压的时间，减去驱动所需的缓冲延迟。
    时钟抖动（clock jitter），是由每个时钟周期之间不稳定性抖动而引起的。一般由于PLL在时钟驱动时的不稳定性引起，同时，时钟抖动引起了有效时钟周期的减小。
    串扰（crosstalk）。邻近的两根信号线，当其中的一根信号线上的电流变化时（称为aggressor，攻击者），由于感应电流的影响，另外一根信号线上的电流也将引起变化（称为victim，受害者）。
    SI是个系统问题，必须用系统观点来看。以下是将问题的分解。
    ◆ 传输线效应分析：阻抗、损耗、回流……
    ◆ 反射分析：过冲、振铃……
    ◆ 时序分析：延时、抖动、SKEW……
    ◆ 串扰分析
    ◆ 噪声分析：SSN、地弹、电源下陷……
    ◆ PI设计：确定如何选择电容、电容如何放置、PCB合适叠层方式……
    ◆ PCB、器件的寄生参数影响分析
    ◆ 端接技术等
    3 电源完整性PI
    PI的提出，源于当不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差，相关概念如下。
    ◆ 电子噪声，指电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号。
    ◆ 地弹噪声。当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。SSN和地弹的强度也取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
    ◆ 回流噪声。只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作。这样，每条信号线上的电流势必要找一个路径，以从末端回到源端。一般会选择与之相近的平面。由于地电平面（包括电源和地）分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。
    ◆ 断点，是信号线上阻抗突然改变的点。如用过孔（via）将信号输送到板子的另一侧，板间的垂直金属部分是不可控阻抗，这样的部分越多，线上不可控阻抗的总量就越大。这会增大反射。还有，从水平方向变为垂直方向的90°的拐点是一个断点，会产生反射。如果这样的过孔不能避免，那么尽量减少它的出现。
    在一定程度上，我们只能减弱因电源不完整带来的系列不良结果，一般会从降低信号线的串绕、加去耦电容、尽量提供完整的接地层等措施着手。
 4 EMC
    EMC包括电磁干扰和电磁抗干扰两个部分。
    一般数字电路EMS能力较强，但是EMI较大。电磁兼容技术的控制干扰，在策略上采用了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。
    主要的EMC设计规则有：
    ① 20H规则。PowerPlane（电源平面）板边缘小于其与GroundPlane（地平面）间距的20倍。
    ② 接地面处理。接地平面具有电磁学上映象平面(ImagePlane) 的作用。若信号线平行相邻于接地面，可产生映像电流抵消信号电流所造成的辐射场。PCB上的信号线会与相邻的接地平面形成微波工程中常见的Micro-strip Line（微带线）或Strip Line（带状线）结构，电磁场会集中在PCB的介质层中，减低电磁辐射。
    因为，Strip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些辐射较大的走线，如时钟线等，最好走成Strip Line结构。    ③ 混合信号PCB的分区设计。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；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。对于实在必须跨区的情况，需要通过，在两区之间加连接高频电容等技术。
    ④ 通过PCB分层堆叠设计控制EMI辐射。PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧，通过合适的叠层也可以降低EMI。
    从信号走线来看，好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨着电源层或接地层。对于电源，好的分层策略应该是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层＂策略。
    ⑤ 降低EMI的机箱设计。实际的机箱屏蔽体由于制造、装配、维修、散热及观察要求，其上一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝，必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏。一般来说，孔缝泄漏量的大小主要取决于孔的面积、孔截面上的最大线性尺寸、频率及孔的深度。
    ⑥ 其它技术。在IC的电源引脚附近合理地安置适当容量的电容，可使IC输出电压的跳变来得更快。然而，问题并非到此为止。由于电容呈有限频率响应的特性，这使得电容无法在全频带上生成干净地驱动IC输出所需要的谐波功率。除此之外，电源汇流排上形成的瞬态电压在去耦路径的电感两端会形成电压降，这些瞬态电压就是主要的共模EMI干扰源。为了控制共模EMI，电源层要有助於去耦和具有足够低的电感，这个电源层必须是一个设计相当好的电源层的配对。问题的答案取决于电源的分层、层间的材料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。通常，电源分层的间距是0.5mm（6mil），夹层是FR4材料，则每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。显然，层间距越小电容越大。
    5 热设计
    电子元件密度比以前高了很多，同时功率密度也相应有了增加。由于电子元器件的性能会随温度发生变化，温度越高其电气性能会越低。
    (1)数字电路散热原理
    半导体器件产生的热量来源于芯片的功耗，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高。随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降，因此芯片厂家都规定了半导体器件的结点温度。在高速电路中，芯片的功耗较大，在正常条件下的散热不能保证芯片的结点温度不超过允许工作温度，因此需要考虑芯片的散热问题。
    在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射3种方式进行。
    散热时需要考虑3种传热方式。例如使用导热率好的材料，如铜、铝及其合金做导热材料，通过增加风扇来加强对流，通过材料处理来增强辐射能力等。
    简单热量传递模型：热量分析中引入一个热阻参数，类似于电路中的电阻。如果电路中的电阻计算公式为R=ΔE/I，则对应的热阻对应公式为R=Δt/P（P表示功耗，单位W；Δt表示温差，单位℃）。热阻的单位为℃/W，表示功率增加1W时所引起的温升。考虑集成芯片的热量传递，可以使用图5描述的温度计算模型。
    由上所述，可推导出
    Tc＝Tj－P× RJC
    也就是说，当Tc实测值小于根据数据手册所提供数据计算出的最大值时，芯片可正常工作。
    (2)散热处理
    为了保证芯片能够正常工作，必须使Tj不超过芯片厂家提供的允许温度。根据Tj=Ta+P×R可知，如果环境温度降低，或者功耗减少、热阻降低等都能够使Tj降低。实际使用中，对环境温度的要求可能比较苛刻，功耗降低只能依靠芯片厂家技术，所以为了保证芯片的正常工作，设计人员只能在降低热阻方面考虑。
    结 语
    以上提到的高速单片机设计思想和方法，目前已经在国外的公司得到实践和发展，但是国内这方面的研究和实践还很少。该设计思想在我们公司实践、摸索，提高了产品可靠性。在这里推荐给各位同行，期望共同探讨。