單片機硬件參數設計解析

摘要：隨著目前新技術、新工藝的不斷出現，高速單片機的應用越來越廣，對硬件的可靠性問題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機設計的關鍵點。
關鍵詞：高速單片機 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 熱設計
引 言
隨著單片機的頻率和集成度、單位面積的功率及數字信號速度的不斷提高，而信號的幅度卻不斷降低，原先設計好的、使用很穩定的單片機系統，現在可能出現莫名其妙的錯誤，分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場的需求，產品需要采用高速單片機來實現，設計人員如何快速掌握高速設計呢?
硬件設計包括邏輯設計和可靠性的設計。邏輯設計實現功能。硬件設計工程師可以直接通過驗證功能是否實現，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當多，這里就不敘述了。硬件可靠性設計，主要表現在電氣、熱等關鍵參數上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設計等5個部分。
1 特性阻抗
近年來，在數字信號速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時，還應考慮電磁波和有關方波傳播的問題。這樣，原來簡單的導線，逐漸轉變成高頻與高速類的復雜傳輸線了。
在高頻情況下，印制板（PCB）上傳輸信號的銅導線可被視為由一連串等效電阻及一并聯電感所組合而成的傳導線路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯電感和并聯電容的效應，會得到以下公式：
式中Z0即特性阻抗，單位為Ω。
PCB的特性阻抗Z0與PCB設計中布局和走線方式密切相關。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質的介電常數和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。
在PCB的特性阻抗設計中，微帶線結構是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應用。最常使用的微帶線結構有4種：表面微帶線（surface microstrip）、嵌入式微帶線（embedded microstrip）、帶狀線（stripline）、雙帶線（dual-stripline）。下面只說明表面微帶線結構，其它幾種可參考相關資料。表面微帶線模型結構如圖2所示。
Z0的計算公式如下：
對于差分信號，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：
公式中：
——PCB基材的介電常數；
b——PCB傳輸導線線寬；
d1——PCB傳輸導線線厚；
d2——PCB介質層厚度；
D——差分線對線邊沿之間的線距。
從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個參數，可以得到相應的特性阻抗。

2 信號完整性（SI）
SI是指信號在電路中以正確的時序和電壓作出響應的能力。如果電路中的信號能夠以要求的時序、持續時間和電壓幅度到達IC，則該電路具有較好的信號完整性。反之，當信號不能正常響應時，就出現了信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性問題主要表現為5個方面：延遲、反射、串擾、同步切換噪聲和電磁兼容性。
延遲是指信號在PCB板的導線上以有限的速度傳輸，信號從發送端發出到達接收端，其間存在一個傳輸延遲。信號的延遲會對系統的時序產生影響。在高速數字系統中，傳輸延遲主要取決于導線的長度和導線周圍介質的介電常數。
當PCB板上導線(高速數字系統中稱為傳輸線)的特征阻抗與負載阻抗不匹配時，信號到達接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號波形發生畸變，甚至出現信號的過沖和下沖。如果信號在傳輸線上來回反射，就會產生振鈴和環繞振蕩。
由于PCB板上的任何兩個器件或導線之間都存在互容和互感，因此，當一個器件或一根導線上的信號發生變化時，其變化會通過互容和互感影響其它器件或導線，即串擾。串擾的強度取決于器件及導線的幾何尺寸和相互距離。