一、什么是高速信号？为什么难以布线？

定义：

高速信号并非仅指高频，而是指信号边沿上升/下降时间非常短（通常<1ns），这类信号在PCB上极易引发信号反射、串扰、过冲和EMI辐射等问题。

典型高速接口包括：

• DDR/DDR2/DDR3/DDR4

• USB 2.0/3.0

• HDMI、LVDS

• PCIe、SATA

• 以太网（Ethernet）

核心挑战： 高频率 + 快速边沿 → 分布参数电路特性显现 → SI、EMC问题频发

二、信号完整性与EMC的关系

虽然SI与EMC分别关注信号“内部”和“外部”表现，但在高速PCB中，两者是密切相关的：

三、高速PCB布线的基本原则

1. 控制阻抗匹配

• 保持信号线阻抗恒定（一般为 50Ω 或 100Ω差分）

• 减少阻抗突变：避免线宽突变、过孔反复切换层

2. 差分对布线技巧

• 同步布线、走线长度相等

• 差分对内距离保持一致（差分阻抗=100Ω）

• 尽量避免 90°拐角或急转弯

3. 过孔最小化处理

• 每一次过孔都会导致阻抗中断、增加反射

• 高速信号建议采用盲埋孔或激光微孔

4. 等长控制

• DDR、USB 等需严格控制匹配长度

• 可以通过蛇形走线（Serpentine）进行补偿

5. 走线参考完整地平面

• 信号必须“参考地”传输，保持闭合回流路径

• 避免信号跨分割地（cut-plane）

四、EMC优化策略

1. 关键信号屏蔽布线

• 外围布设 GND 防护线

• 对高速I/O口尽量加RC缓冲或保护二极管

2. 多层板合理叠层结构

建议使用如下叠层结构（四层板为例）：

3. 减少电源噪声

• 电源分层供电+局部LDO方案

• 使用高频陶瓷电容（如100nF + 1nF并联）

4. 抑制共模辐射

• 插入磁珠或共模扼流圈

• USB/HDMI等接口加TVS二极管与滤波电容

5. 布线避免形成天线结构

• 开环/断地/长悬空线会造成偶极子发射源

• 所有信号应“对称、平衡、闭合”

五、常见高速布线错误与解决方案

六、仿真工具与验证流程

在复杂高速PCB项目中，布线完成后应进行信号完整性仿真：

推荐工具：

• HyperLynx：差分线、等长分析、眼图测试

• Allegro Sigrity：SI+PI仿真

• ADS：高频通信仿真

• EMPro：3D EMI辐射模拟

验证重点：

• 时序裕量（Timing Margin）

• 串扰干扰（Crosstalk）

• 眼图完整性

• PCB共模/差模电流路径分析

七、实战小技巧合集

1. 差分对走线靠近地层，但不要共用回流路径

2. 高速走线宽度计算需结合板厚及介电常数

3. 不要在差分线之间插入测试点

4. 敏感模拟信号远离数字高速区域

5. 跨层走线时，加地过孔以控制回流路径

八、结语：细节决定成败，高速设计容不得半点侥幸

高速PCB布线并非“经验堆叠”，而是理论、工具与实战结合的系统工程。只有在设计初期就做好信号路径、阻抗规划、EMC隔离，才能避免后期反复打样、整改、EMI不通过等问题。

记住：高速设计的核心是控制信号的路径，而不是仅仅看频率。