PCB走线问题

今天在看电路板时突然想到一个问题：为什么PCB走线的时候只有45°角呢?百度一了一下总结如下:

直线走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况,也几乎是成为衡量布线好坏的标准之一,那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢?从原理上说,直角走线会是传输线的线宽发生变化,造成阻抗的不连续.其实不光是直角走线,钝角,锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况.直角走线对信号的影响就是主要体现在三个方面:一是拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间;二是阻抗不连续会造成信号的反射;三是直角尖端产生的EMI----电磁干扰(Electro-Magnetic Interference).传输线的直角带来的寄生电容可以由下面这个经验公式来计算:

C=61W(Er)1/2/Z0

在上式中,C就是指拐角的等效电容(单位:pF),W指走线的宽度(单位:inch),εr指介质的介电常数,Z0就是传输线的特征阻抗.举个例子,对于一个4Mils的50欧姆传输线(εr为4.3)来说,一个直角带来的电容量大概为0.0101pF,进而可以估算由此引起的上升时间变化量：
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通过计算可以看出，直角走线带来的电容效应是极其微小的由于直角走线的线宽增加,该处的阻抗将减小,于是会产生一定的信号反射现象,我们可以根据传输线章节中提到的阻抗计算公式来算出线宽增加后的等效阻抗,然后根据经验公式计算反射系数:ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，,一般直角走线导致的阻抗变化在7%-20%之间,因而反射系数最大为0.1左右.而且,从下图可以看到,在W/2线长的时间内传输线阻抗变化到最小,再经过W/2时间又恢复到正常的阻抗,整个发生阻抗变化的时间极短,往往在10ps之内,这样快而且微小的变化对一般的信号传输来说几乎是可以忽略的.很多人对直角走线都有这样的理解,认为尖端容易发射或接收电磁波,产生EMI,这也成为许多人认为不能直角走线的理由之一,然而很多实际测试的结果显示,直角走线并不会比直线产生很明显的EMI.也许目前的仪器性能,测试水平制约了测试的精确性,但至少说明了一个问题,直角走线的辐射已经小于仪器本身的测量误差.总的说来,直角走线并不是想象中的那么可怕.至少在GHz以下的应用中,其产生的任何诸如电容,反射,EMI等效应在TDR(Time Domain Reflectometry时域反射)测试中几乎体现不出来,高速PCB设计工程师的重点还是应该放在布局,电源/地设计,走线设计,过孔等其他方面.当然,尽管直角走线带来的影响不是很严重,但并不是说我们以后都可以走直角线,注意细节是每个优秀工程师必备的基本素质,而且,随着数字电路的飞速发展,PCB工程师处理的信号频率也会不断提高,到10GHz以上的RF设计领域,这些小小的直角都可能成为高速问题的重点对象.
PS:1. FPC(Flexible Printed Circuit board翻译成中文就是:挠性印刷电路板,通俗讲就是用软性材料(可以折叠、弯曲的材料)做成的PCB)上面大多采用弧形走线,目的是处于FPC弯折时对走线的保护,弧形的线比45°线在弯折时性能好很多,45°的普通走线弯折时易断.

2. PCB上的任何一条走线在通过高频信号的情况下都会对该信号造成时延时,蛇形走线的主要作用是补偿"同一组相关"信号线中延时较小的部分,这些部分通常是没有或比其它信号少通过另外的逻辑处理;最典型的就是时钟线,通常它不需经过任何其它逻辑处理,因而其延时会小于其它相关信号.
高速数字PCB板的等线长是为了使各信号的延迟差保持在一个范围内,保证系统在同一周期内读取的数据的有效性(延迟差超过一个时钟周期时会错读下一周期的数据),一般要求延迟差不超过1/4时钟周期,单位长度的线延迟差也是固定的,延迟跟线宽,线长,铜厚,板层结构有关,但线过长会增大分布电容和分布电感,使信号质量,所以时钟IC引脚一般都接RC端接,但蛇形走线并非起电感的作用,相反的,电感会使信号中的上升元中的高次谐波相移,造成信号质量恶化,所以要求蛇形线间距最少是线宽的两倍,信号的上升时间越小就越易受分布电容和分布电感的影响.
因为应用场合不同具不同的作用,如果蛇形走线在电脑板中出现,其主要起到一个滤波电感的作用,提高电路的抗干扰能力,电脑主机板中的蛇形走线,主要用在一些时钟信号中,如PCIClk,AGPClk,它的作用有两点:1、阻抗匹配 2、滤波电感.对一些重要信号,如INTEL HUB架构中的HUBLink,一共13根,跑233MHz.要求必须严格等长,以消除时滞造成的隐患,绕线是唯一的解决办法.一般来讲,蛇形走线的线距>=2倍的线宽.PCI板上的蛇行线就是为了适应PCI 33MHzClock的线长要求.若在一般普通PCB板中,是一个分布参数的LC滤波器,还可作为收音机天线的电感线圈,短而窄的蛇形走线可做保险丝等等.