邮箱:sales13@szlhdgroup.com 收藏本站- 在线留言-

您好,欢迎来到深圳市凌航达快捷电子有限公司官网!
  
您的位置: 首页> 新闻资讯 > 企业动态
PCB设计中的阻抗控制实践
返回列表 来源: 发布日期: 2025-07-01

一、为什么要控制阻抗

在这样的速度下,电路板上的导线就不再是简单的“连线”,而变成了一种“传输线”。当信号在电路板上传输时,如果没有合适的阻抗匹配,就会发生反射、串扰和波形畸变。这些问题会直接影响信号完整性,导致通信错误或设备不稳定。

尤其在高速通信、雷达、射频模块、DDR存储、HDMI、USB、SerDes等系统中,阻抗控制已经不是选择,而是必须。例如:

  • DDR3的数据线要求50Ω单端阻抗;

  • HDMI差分对要求100Ω;

  • USB 3.0对线要求90Ω ±10%。

如果不控制阻抗,这些总线就不能正常工作,甚至会造成完全失效。所以,在高速PCB设计中,阻抗控制是一项非常重要的工作。

QQ20250624-153948.png

二、阻抗控制的基本原理

1. 什么是阻抗

阻抗不是简单的电阻,而是电压与电流在特定频率下的比值。它包括电阻、电感、电容等的综合作用。在直流电路中我们只关心电阻,但在高频信号中,我们必须考虑阻抗。

当信号从一个点发送到另一个点时,它在传输线上形成电压波和电流波。如果导线的特性阻抗与信号源或接收端不一致,就会反射一部分能量。这会使信号在传输过程中产生多次叠加,从而导致波形畸变。

2. PCB传输线类型

在PCB中,常见的传输线类型有以下几种:

  • 微带线:信号线在表层,下面是地层,中间是绝缘介质。

  • 带状线(带状微带线):信号线在内层,夹在上下两个平行的地层之间。

  • 差分对线:两根信号线成对走线,用于传输反向信号,提高抗干扰能力。

这些传输线的阻抗由导线宽度、介质厚度、介电常数、铜厚等参数决定。

3. 典型阻抗公式(简化)

以下为简化计算:

  • 微带线单端阻抗:
    Z ≈ 87 / √εr × ln(5.98h / (0.8w + t))

  • 带状线单端阻抗:
    Z ≈ 60 / √εr × ln(4h / (0.67π(w + t)))

  • 差分阻抗:
    Zd ≈ 2Z0 × [1 - 0.48e^(-0.96×s/h)]

其中:

  • εr 是介电常数

  • h 是介质厚度

  • w 是走线宽度

  • t 是铜皮厚度

  • s 是差分线之间的间距

可见,阻抗控制不是简单画线,而是涉及多个参数之间的配合。

QQ20250625-094014.png

三、常见的阻抗控制需求

不同的信号协议,对阻抗有不同要求。以下是一些常见标准:

协议类型要求阻抗
USB 2.0差分90Ω ±10%
USB 3.0差分90Ω ±10%
HDMI差分100Ω ±10%
LVDS差分100Ω ±10%
DDR3单端/差分50Ω / 100Ω
SATA差分100Ω ±10%
Ethernet差分100Ω ±15%

设计人员必须根据芯片手册和协议规范,严格控制每条关键线的阻抗值。


四、实现阻抗控制的方法

1. 明确阻抗目标

设计前必须与硬件工程师和芯片厂商确认阻抗目标。例如,FPGA的参考设计可能要求数据线为50Ω,差分对为100Ω。

必须明确:

  • 走哪一层?

  • 是单端还是差分?

  • 是微带还是带状线?

  • 板厚是多少?

  • 板材类型是什么?

这些都会影响后面的计算。

2. 使用阻抗计算工具

设计人员可以使用如下工具计算阻抗:

  • Polar SI9000

  • Mentor HyperLynx

  • Saturn PCB Toolkit(免费)

  • Altium Designer的Stackup Manager

  • PCB厂商提供的阻抗计算器

这些工具会根据输入参数,计算出对应的线宽、间距。

例如,一个内层信号层(h=0.18mm,εr=4.2),要实现50Ω带状线,线宽约需0.25mm。若为100Ω差分线,间距约0.20mm。

3. 设计时注意线宽、间距、层间距一致

控制阻抗最关键的是保持以下三点稳定:

  • 线宽不能变化;

  • 差分对线间距固定;

  • 层压结构中介质厚度恒定。

如果布线中使用弯曲线,要用45°角或圆弧,避免尖角带来阻抗变化。如果走线穿层,过孔的影响也要评估,有时需要加阻抗补偿。

4. 与PCB厂协同

PCB厂的工艺能力直接影响阻抗控制的结果。设计时,必须将目标阻抗和堆叠结构发给PCB厂确认,包括:

  • 目标阻抗值;

  • 介质厚度、公差;

  • 铜厚;

  • 板材型号;

  • 每层函数定义。

PCB厂会根据实际工艺调整线宽、介质厚度,以满足阻抗目标。如果厂商不具备阻抗控制能力,就不能保证质量。

5. 加工中添加阻抗测试Coupon

为确保实际阻抗符合要求,设计中应在边缘添加阻抗测试结构(Coupon)。厂商在生产后用TDR(时域反射)仪器测试,确保其在误差范围内(一般±10%以内)。否则产品不能交付。


五、实际设计中遇到的问题与解决方案

问题1:线宽太窄,制造困难

解决方案:可以通过增加介质厚度或使用更高εr的材料来适当加宽线宽,使其适合加工要求。

问题2:过孔太多导致阻抗不稳

解决方案:尽量减少关键走线上的过孔。如果必须使用,可以在PCB厂中请求阻抗补偿设计。

问题3:层压结构未考虑阻抗

解决方案:设计时先定义堆叠结构,再布线,而不是先布线再调整堆叠。结构决定一切。

问题4:使用不同PCB厂导致阻抗偏差

解决方案:同一产品尽量使用同一家PCB厂,或至少保证堆叠、材料完全一致。


阻抗控制不只是理论,它是确保高速电路稳定运行的基本条件。只有设计、计算、制造、测试全流程配合,才能真正达到目标阻抗。

设计工程师需要:

    1.了解目标阻抗和协议规范;

    2.提前设定层压结构;

    3.精确计算线宽、间距;

    4.与PCB厂紧密协作;

加入测试Coupon,确保实测值达标。

只要把这些基本工作做到位,就可以保证阻抗控制的质量,从而让高速电路稳定、可靠、安全运行。


新闻资讯

咨询热线

13682311376
  • 13682311376
  • 电话: 86-755-85297133
  • 邮箱: sales13@szlhdgroup.com
  • QQ: 861316867
  • 深圳市宝安区福永街道塘尾建安路30号白石厦工业区C、D栋
  • 微信二维码微信二维码
--> -->