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摘要：要想在高速PCB设计当前SOC的运用中成功，板级和系统级的设计师必须理解最适合配置构成部件、配置布线、利用保护构成部件的方法。
这些被称为数字式蜂窝电话，其中包含的模拟功能比所谓的模拟蜂窝电话之前度品种还多。实际上，在需要处理连续状态值（例如声音、影像、温度、压力等）的系统中，有一种模拟功能，即在该名称中是否会出现数字式这个词。今天的多媒体pC也不例外，具有语音和影像的输入输出，切实地对发热的中央处理机进行温度监控，具有高性能调制解调器，这些系统同样地，混合信号功能列表的项目也增加了。
两个系统的趋势，给进行混合设计的人们带来了新的挑战。便携式通信和运算设备的体积重量正在减少，但功能仍在不断提高。桌面系统不断提高中央处理机能力和通信周边的速度。确实，在设计现代数字电路板的同时，避免贝尔、噪声引起的错误以及地电位跳跃等问题是非常困难的。但是，如果将容易受到噪声影响的模拟信号线路靠近方波激发数字数据线路，问题会更加严重。
在芯片级中，当前SOC（芯片上的系统）需要逻辑电路、模拟电路和热动力学设计的专业性。为了正常使用这些IC，面板水平和系统水平的设计师必须理解构成部件的配置、布线的配置以及保护部件的使用方法。
本文描述了当前混合信号系统设计中的一般陷阱，并提供了一些消除或删除它们的指南。但是，在研究并提出特定问题之前，仔细观察系统设计的两个潮流的小型化和高速化对这些问题的影响，会有很大的帮助。
1、 ldquo;高速化rdquo；趋势
1999年的中级pC标准与5年前相比，其中央处理机速度提高了约1位数，CPU消耗的电流也提高了约1位数。高速度和大电流组合的话，V=L（di/dt）关系式的ldquo。di/dtrdquo;部分大幅提高。实际上，电路板中半英寸的地线可以感知超过1伏特的电压。对于转换器来说，地电位如果基准线感知到电压，则可能停止动作。
为了这些高速化，IC在设计和制造中采用深度次微米尺寸（例如0.35mu；m）。这减小了几何尺寸并获得了更高的性能，但是这些装置是锁latch串行63？up）以及容易引起瞬态损伤。此外，这些设备要求更严格的能量管理以适应更严格的容许电压范围。
当前的10/100Ethernet网络接口卡（（NIC）是好的例子，以往的10Base-T芯片是大型CMOS设备，对过电压损坏不那么敏感。但是，新型的芯片采用了0.35mu。m的线宽对锁定和瞬态失效非常敏感，是电能诱导和雷电诱导的瞬态。
现代服务器以SMP对称多处理能力的架构和CPU500MHz以上的频率工作是能量分布的课题的好例子。5V不能简单制作电源，在对应的总线上拉线。在500MHz的上限达到20A或30A的电流开关在各使用点（point-of-use中实际上有独立的转换器，并且请求加上更大的一次电压源向这些转换器的全部供给电力。
趋势意味着需要热交换能力，并且可以插入或移除当前系统电路板。预告即使这样，也会发生瞬间变化。这样，插入的板和母板都需要适当的保护功能。
不管是小型化还是高速化的倾向，都有自己的问题。例如，大电流能量分布对于小型、便携式和手持装置来说不是大问题。对于台式电脑和服务器来说，电池寿命的延长也不成问题。然而，由于锁定和过渡造成的损伤在上述两者中都是问题的。
2、 ldquo;小型化rdquo；的倾向
1999年蜂窝电话和5年前的产品相比，芯片数量少，重量和体积大幅度减少，电池寿命大幅延长。在这个过程中，混合信号IC解决方案取得了很大进展是主要原因。然而，随着芯片的几何尺寸减小，电路板上的布线间距接近，物理规律开始出现。
并行走线越靠近寄生电容结合越大，这是与距离平方成反比的结果，以前只有几条走线的空间，现在已经安装了很多的走线，结果不邻接的走线之间的电容结合也成了问题。
蜂窝电话是根据其性质而决定的、人所使用的设备。低温天，你走在地毯上，拿在手里蜂窝电话，然后ldquo；这样一来，高电压静电放电ESD脉冲就会传送到该装置。如果没有适当的ESD保护，一个以上的IC可能会损坏。然而，添加外部元件以保护ESD的破坏与小型化趋势相反。
另一个问题是能量管理，蜂窝电话用户希望电池的两次充电之间的间隔越长越好。这是DC？终末63？DC转换器意味着必须要有效率。虽然开关技术是其答案，但是在这种情况下，转换器也是其独特的潜在噪声源。您也必须注意转换器的选择、对齐和互连。另外，因为是体积不能忽视的原因，所以应该选择能够采用物理尺寸最小无源元件的部件。如果采用线性稳压器，则可选择超低压差式，将输出维持为最小电池电压。由此，能够在电池不供给充分的电力之前放电。
3、摇滚与过渡
对于来自深度次微米IC的线宽的瞬态变化，过电压状态的灵敏度恶化意味着必须聪明地保护这些设备但不影响性能。
在一个保护输入中，当任何保护元件正常工作时，必须显示为高阻抗电路。例如，假设对正常输入信号施加较小的效果，则必须尽可能地加载小容量负载。然而，在过电压的时刻，同一装置成为该瞬态电能的主要通路，并且必须远离受保护装置的输入。而且，保护装置的耐压应该比受保护的销的最大容许电压高。类似地，由于在瞬态情况下输入的电压是保护装置的钳制电压，所以钳制电压必须足够低以防止保护装置的损坏。
以往，瞬变电压抑制TVS二极管在印刷电路板上被有效地进行了瞬态钳位。传统的TVS二极管是固体pN结元件，即使电压低于5V也能正常工作。它们在高速响应时间，低钳制电压和高电流浪涌能力中都具有期望的特性。但是，以往的TVS二极管问题是，如果比5V以下低，就抬起头。在这里，那些采用的雪崩技术是障碍。5V以下是Stand？of为了达到f电压，使用了高度的掺杂（1018/cm）。相反，会引起更高的电容和漏电电流，两者都会损害高性能。现有的TVS二极管具有电压依赖容量，随着电压减少而增加。例如，在5V中，典型的ESD保护二极管具有400pF的接合容量。这样的容量负荷是100Base？如果加入到Ethernet发射机或接收机的输入节点，或加入通用串行总线USB输入，则可以想象会发生什么问题。而且，这些正是最需要瞬态保护的电路类型。
在低于5V的电压的情况下，以往的TVS二极管不是真的选择项。但是，这并不是你不能再选择了。加州伯克莱大学和Semtech公司（加利福尼亚NewburyPark市）共同开发的新技术提供到2.8V的工作电压的过渡变化和ESD保护。合适的容量，Stand？of可以从具有f电压和钳制电压的一系列TVS设备中选择满足自己系统要求的设备。然后，也考虑该装置应该放置在板上的哪里，怎样电路板布线等。
寄生在保护通路上的电感会引起高压过冲或IC损坏。急剧上升时间的过渡状况尤其是ESD。ESD诱导的过渡，IEC1000？4根据2的定义，不足1纳秒ns达到该峰值。以行驶电感20nH/英寸计算，1英寸行驶线4部分会从10A脉冲引起50V的超调。
必须考虑接地返回路径，TVS和保护线之间的路径，以及包括连接器到TVS设备的路径在内的所有可能的诱导路径。此外，TVS设备应尽可能接近连接器以耦合到临时接近的其他电线。
方框10/100Ethernet板是需要瞬态保护的子系统。Ethernet交换器和路由器中使用的设备在高能雷电引起的瞬态下暴露。所使用的深度次微米IC在设计上对过电压锁定非常敏感。在一个示例性系统中，在每个端口上使用的双绞线接口在发射机上使用由两个不同的信号对组成的对，并且另一对用于接收机。发射极输入通常最容易受到损伤，一个线路对产生差的致命放电，通过变压器电容性地耦合到以太网IC。
在一种情况下，信号频率高（100Mbit/s），供电电压低（典型地为3.3V），保护装置必须具有低容量负载，Stand？off电压比5V低得多。有时保护通道中的寄生电感会导致大电压过冲。为了使效率最大化，电路板的配线应将保护器与被保护的线路之间的通路抑制到最小限度，RJ45连接器与保护器之间的通路长度也应抑制到最小限度。
4、换热/插即用
越来越多的系统被设计成在系统还没有接通电源的时候，可以随时插入插头和插头并拔出。这些插头和插头会被插入或拔出带有信号、电源线、接地线的插座。另外，也有引起过渡性变化的机会。此外，系统还可以动态调整其电源以适应突然增加或减小的电流负载。
蜂窝电话或其他便携电子设备在无意识充电时插入或拔出至自我充电系统。这也同样产生瞬态变化。在此，除了瞬态保护之外，还需要能量管理以适应急剧增加或减小的电流负荷。
USB接口的设计提高了桌面系统和外围设备之间的高速串行介连接能力。UB接口具有用于向连接的外围设备供电的电压供电线。负载未插入USB套接字时，为打开套接字。通过人体静电感应到该插座ESD脉冲放电，导通电路板，控制器容易损坏USB。
这趟高速巴士需要确认数据线和电源线都受到了保护。另外，尽管能源管理被写入USB的标准中，但是还没有进行ESD的保护。
TVS设备可以用于提供适当的ESD保护。元件的配置和通道长度仍然是重要的设计问题。同样的配置指南要好好参考。业务TVS和受保护的线路之间的通道变短，业务TVS设备尽可能接近端口连接器。
USB应根据规格的需要，使用固体电路能量分配开关进行能量管理。pC主机向控制器IC提供短路电流保护及错误报告。USB在外围设备中，用于进行端口切换、错误报告以及电力供给电压的倾斜下降控制。
5、能量分配
与10年前相比，pC的电流量变化更大，这是一件令人吃惊的事情。另外，由于时钟频率的大幅增加，pC和服务器处于非常高di/的dt环境中。例如，如果L为2.5mu，则H和C等于4times。1500mu;F，负载上的过渡是200mV峰值对峰值数，恢复时间50微秒。使问题更加复杂的是，CPU进入睡眠等模式，然後快速觉醒，发生的过渡变化每微秒在20~30A的范围内，成为能源管理上的头痛的问题。
从转换器的观点来看，di/dt的值左右输出容量的选择，更具体地说是与容量的等效串联电阻（ESR）相等串联电感（ESL）。在低频下工作的转换器需要以大电容量积蓄两个工作周期间的电荷，这需要采用电解容量。这些电解容量大电容量，伴随着大ESR和ESL，两者都违反了设计者的意图。另外，电解容量体积大，不适合表面安装技术或小型封装。
替代方法可以降低ESR和ESL的值，简化生产过程，减少实际体积。该方法是选择陶瓷容量而不是电解容量，并且采用更高频率的转换器来获得上述优点。同时，通过采用多相转换器的方案，可以分担负荷需求，各转换器输入容量少，同时能提供相同总量的电流能力。另一个优点是减少输入纹波电流。在单相变换方式中，输入纹波电流等于所输出的纹波电流的一半。由此，输入纹波电流在20A系统中为10A。但是，在四相转换器方式中，例如，这样的输出电流由这4个转换器平分。每个电力供给是5A，输入纹波电流是2A。由此，能够采用更小型且便宜的输入电容器。
DellComputers公司（得克萨斯RoundRock市）为高速计算机和服务器系列开发了分立式、多相脉宽调制PWM控制器和逆DC-to-DC转换器。那个设计符合Intel公司的高级PentiumCPU的紧迫的电能/能源管理的要求。该电路根据Semtech公司至Dell的请求而集成。多相在采用控制器和转换器的方案后，请特别注意电路板的接线问题。高频下的大电流开关会影响地面电压的不同。
电路的大部分电流部分应先布线，你应采用地面groundplate，或应导入隔离或半隔离的平面区域，限制电流进入特定领域。由输入电容器、高端及低端驱动器输出FET构成的电路包括所有大电流、高速瞬态开关。在连接上，为了降低电路电感，需要宽度或宽度和长度。由此，能够降低电磁干扰EMI，降低注入电流，将源振铃抑制到最小限度，得到更可靠的栅极电路开关信号。
上述两个FET接合点与输出电感器之间的连接应尽可能短且宽的径向轨迹。输出电容器应尽量放置在接近负荷的位置。由于高速瞬态负载电流由该电容器提供，所以连接线必须宽且短，以将电感和电阻抑制到最小限度。
优选将控制器配置在输入电容器和FET电路的脉冲电流不流入该区域宁静的平面区域内。低端地电位参考销应返回到非常接近控制放大器封装的位置。小信号应该模拟地数字地连接到输出电容器的一个接地。输入容量/FET绝对不能返回电路内部。电流感测电阻电路应尽量保持短。
6、明智地工作
上面的例子描述了用于预测和避免混合信号系统的若干陷阱的一些方法，但是这并不精细。每个系统都有自己的挑战事项，每个设计师都有自己的障碍。即使在处理更为困难的保护，或是处理更严格的能源管理方面，也要首先选择适当的要素。挑战转换器、转换器控制器和TVS保护设备方面具有广泛的选择范围。如果把它们放在电路板上面的正确位置，在能源管理和保护方面会出现有效与否的区别。精心考虑的布线和地表配置是第三个重要问题。在低压电路用的TVS电压低于5V的情况下，以往的pN连接型TVS实际上完全不起作用。但是，有从加州柏克莱大学和Semtech公司开发的增强贯通二极管EPD。
与雪崩式TVS二极管的以往pN结构不同，该EPD元件采用了更复杂的n+p+p-n+4层结构。那是p+和p？采用了较轻的兴奋剂层，防止了反向偏压的n+p+结进入雪崩状态。
pnp选择结构而不是npn结构是因为具有较高电子迁移率和改善的钳位特性。通过仔细的架构制备p基区域，得到的元件在2.8V到3.3V的电压范围内获得优异的漏电、钳制和电容特性。
7、勾起食欲Pentium
在Intel的PentiumII标准中，要求500ns以内的电流从5A上升到20A，转换率每微秒30A。SemteckSC1144多相PWM控制器的能力比任务所要求的能力优秀。提供最多4个反DC-to-DC转换器的控制，以获得所需的速度和精度。内置5位DAC能够程序输出输出输出输出电压，以从1.8~2.05V增加50mV的增量增加20~3。5V以100mV增量进行。
该多相技术产生由90度相移分离的四个精确输出电压。然後将四个数字相移的输出相加以获得期望的输出电压和电流容量。
由于每个转换器以2MHz操作，所以设计者可以采用陶瓷容量而不是电解容量，体积小，可以进行表面实现，并且可以获得较低ESR和ESL的优点。
