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。
信號質量表現為幾個方面。對于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時間、下降時間等，在此就不作詳細介紹了。下面主要介紹幾個重要概念。
①高電平時間（high time），指在一個正脈沖中高于Vih_min部分的時間。
②低電平時間（low time），指在一個負脈沖中低于Vil_max部分的時間，如圖3所示。
③建立時間（setup time），指一個輸入信號（input signal）在參考信號（reference signal）到達指定的轉換前必須保持穩定的最短時間。
④保持時間（hold time），是數據在參考引腳經過指定的轉換后，必須穩定的最短時間，如圖4所示。
⑤建立時間裕量（setup argin），指所設計系統的建立時間與接收端芯片所要求的最小建立時間的差值。
⑥保持時間裕量（hold argin），指所設計系統的保持時間與接收端芯片所要求的最小保持時間之間的差值。
⑦時鐘偏移（clock skew），指不同的接收設備接收到同一時鐘驅動輸出之間的時間差。
⑧Tco（time clock to output，時鐘延遲），是一個定義包括一切設備延遲的參數，即Tco=內部邏輯延遲 （internal logic delay） + 緩沖器延遲（buffer delay）。
⑨最大經歷時間（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到達高閾值電壓的時間，并保持高電平之上，減去驅動所需的緩沖延遲。
⑩最小經歷時間（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到達低閾值電壓的時間，減去驅動所需的緩沖延遲。
時鐘抖動（clock jitter），是由每個時鐘周期之間不穩定性抖動而引起的。一般由于PLL在時鐘驅動時的不穩定性引起，同時，時鐘抖動引起了有效時鐘周期的減小。
串擾（crosstalk）。鄰近的兩根信號線，當其中的一根信號線上的電流變化時（稱為aggressor，攻擊者），由于感應電流的影響，另外一根信號線上的電流也將引起變化（稱為victim，受害者）。
SI是個系統問題，必須用系統觀點來看。以下是將問題的分解。
◆ 傳輸線效應分析：阻抗、損耗、回流……
◆ 反射分析：過沖、振鈴……
◆ 時序分析：延時、抖動、SKEW……
◆ 串擾分析
◆ 噪聲分析：SSN、地彈、電源下陷……
◆ PI設計：確定如何選擇電容、電容如何放置、PCB合適疊層方式……
◆ PCB、器件的寄生參數影響分析
◆ 端接技術等
3 電源完整性PI
PI的提出，源于當不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進行SI分析時所帶來的巨大誤差，相關概念如下。
◆ 電子噪聲，指電子線路中某些元器件產生的隨機起伏的電信號。
◆ 地彈噪聲。當PCB板上的眾多數字信號同步進行切換時(如CPU的數據總線、地址總線等)，由于電源線和地線上存在阻抗，會產生同步切換噪聲，在地線上還會出現地平面反彈噪聲(簡稱地彈)。SSN和地彈的強度也取決于集成電路的I/O特性、PCB板電源層和地平面層的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布線方式。負載電容的增大、負載電阻的減小、地電感的增大、同時開關器件數目的增加均會導致地彈的增大。
◆ 回流噪聲。只有構成回路才有電流的流動，整個電路才能工作。這樣，每條信號線上的電流勢必要找一個路徑，以從末端回到源端。一般會選擇與之相近的平面。由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數字地、模擬地、屏蔽地等，當數字信號走到模擬地線區域時，就會產生地平面回流噪聲。
◆ 斷點，是信號線上阻抗突然改變的點。如用過孔（via）將信號輸送到板子的另一側，板間的垂直金屬部分是不可控阻抗，這樣的部分越多，線上不可控阻抗的總量就越大。這會增大反射。還有，從水平方向變為垂直方向的90°的拐點是一個斷點，會產生反射。如果這樣的過孔不能避免，那么盡量減少它的出現。
在一定程度上，我們只能減弱因電源不完整帶來的系列不良結果，一般會從降低信號線的串繞、加去耦電容、盡量提供完整的接地層等措施著手。
4 EMC
EMC包括電磁干擾和電磁抗干擾兩個部分。
一般數字電路EMS能力較強，但是EMI較大。電磁兼容技術的控制干擾，在策略上采用了主動預防、整體規劃和“對抗”與“疏導”相結合的方針。
主要的EMC設計規則有：
① 20H規則。PowerPlane（電源平面）板邊緣小于其與GroundPlane（地平面）間距的20倍。
② 接地面處理。接地平面具有電磁學上映象平面(ImagePlane) 的作用。若信號線平行相鄰于接地面，可產生映像電流抵消信號電流所造成的輻射場。PCB上的信號線會與相鄰的接地平面形成微波工程中常見的Micro-strip Line（微帶線）或Strip Line（帶狀線）結構，電磁場會集中在PCB的介質層中，減低電磁輻射。
因為，Strip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些輻射較大的走線，如時鐘線等，最好走成Strip Line結構。
③ 混合信號PCB的分區設計。第一個原則是盡可能減小電流環路的面積；第二個原則是系統只采用一個參考面。相反，如果系統存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線；而如果信號不能通過盡可能小的環路返回，就可能形成一個大的環狀天線。對于實在必須跨區的情況，需要通過，在兩區之間加連接高頻電容等技術。
④ 通過PCB分層堆疊設計控制EMI輻射。PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設計技巧，通過合適的疊層也可以降低EMI。
從信號走線來看，好的分層策略應該是把所有的信號走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對于電源，好的分層策略應該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層＂策略。
⑤ 降低EMI的機箱設計。實際的機箱屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱及觀察要求，其上一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。一般來說，孔縫泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率及孔的深度。
⑥ 其它技術。在IC的電源引腳附近合理地安置適當容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅動IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態電壓在去耦路徑的電感兩端會形成電壓降，這些瞬態電壓就是主要的共模EMI干擾源。為了控制共模EMI，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個電源層必須是一個設計相當好的電源層的配對。問題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時間的函數)。通常，電源分層的間距是0.5mm（6mil），夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。
5 熱設計
電子元件密度比以前高了很多，同時功率密度也相應有了增加。由于電子元器件的性能會隨溫度發生變化，溫度越高其電氣性能會越低。
(1)數字電路散熱原理
半導體器件產生的熱量來源于芯片的功耗，熱量的累積必定導致半導體結點溫度的升高。隨著結點溫度的提高，半導體器件性能將會下降，因此芯片廠家都規定了半導體器件的結點溫度。在高速電路中，芯片的功耗較大，在正常條件下的散熱不能保證芯片的結點溫度不超過允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問題。
在通常條件下，熱量的傳遞通過傳導、對流、輻射3種方式進行。
散熱時需要考慮3種傳熱方式。例如使用導熱率好的材料，如銅、鋁及其合金做導熱材料，通過增加風扇來加強對流，通過材料處理來增強輻射能力等。
簡單熱量傳遞模型：熱量分析中引入一個熱阻參數，類似于電路中的電阻。如果電路中的電阻計算公式為R=ΔE/I，則對應的熱阻對應公式為R=Δt/P（P表示功耗，單位W；Δt表示溫差，單位℃）。熱阻的單位為℃/W，表示功率增加1W時所引起的溫升。考慮集成芯片的熱量傳遞，可以使用圖5描述的溫度計算模型。
由上所述，可推導出
Tc＝Tj－P× RJC
也就是說，當Tc實測值小于根據數據手冊所提供數據計算出的最大值時，芯片可正常工作。
(2)散熱處理
為了保證芯片能夠正常工作，必須使Tj不超過芯片廠家提供的允許溫度。根據Tj=Ta+P×R可知，如果環境溫度降低，或者功耗減少、熱阻降低等都能夠使Tj降低。實際使用中，對環境溫度的要求可能比較苛刻，功耗降低只能依靠芯片廠家技術，所以為了保證芯片的正常工作，設計人員只能在降低熱阻方面考慮。
結 語
以上提到的高速單片機設計思想和方法，目前已經在國外的公司得到實踐和發展，但是國內這方面的研究和實踐還很少。該設計思想在我們公司實踐、摸索，提高了產品可靠性。在這里推薦給各位同行，期望共同探討。