本文讲述的是现时混合讯号系统PCB设计中的常见陷阱，并提供一些指引以清除或移开它们。不过，在探讨特定问题和作出提议之前，先详细看看系统PCB设计的两种潮流—小型化和高速化—如何影响这些问题，会有很大的帮助。
“小型化”的趋势
拿1999年的蜂窝电话与五年前的产品作个比较，芯片数目少得很多，重量和体积大幅减少，电池寿命大幅延长。在这个进程中，主要因素是混合讯号IC解决方案中有很大进展。不过，随着芯片几何尺寸的缩减，电路板上布线的间距趋近，物理学的规律开始呈现出来。
并行的走线愈来愈接近产生了愈来愈大寄生电容耦合，而这简直是和距离平方成反比关系的结果，以前只有少数几根走线的空间，现在纳入了许多走线，结果，甚至是不相邻的走线之间的电容性耦合也会构成问题。
蜂窝电话，由其性质所决定，是被人拿着使用的设备。在低温度的日子里，你正在地毯上走来走去，然後拿起蜂窝电话，接着“啪”—这就会把一个高电压，静电放电(ESD)脉冲传到这个设备那里。如果没有适当的ESD保护，一个或多个IC有可能受到损坏。不过，增添外部元件来保护ESD的破坏又会与小型化趋势相违背。
另一个问题是能源管理，蜂窝电话用户希望电池的两次充电之间隔愈长愈好。这意味着DC-至-DC转换器必须是很高效率的。开关技术是它的答案，但在此情况下，转换器也成了它自己的潜在噪声源。所以必须小心选择、放置转换器，也要小心进行互连。还有，由於体积是不可忽视的因素，应该选择可以采用物理尺寸最小的无源元件的那种部件。如果采用线性稳压器的话，应该挑选超低压差式的，可让输出维持於最小电池电压。这就能让电池不再提供足够电能之前尽行地放电。
“高速化”趋势
将1999年中档PC的规格与五年前的相比较，它的中央处理机速度提高了大约一个数量级，而由CPU消耗的电流也提高了约一个数量级。当你将高速度和大电流结合一起，V=L(di/dt)关系式中的“di/dt”部份大幅地提高。事实上，电路板中半寸长的地线可能会感应起超过1伏特的电压於其上。对於转换器来说，地电位参考线会感应电压的话，可能导致运作停止。
为要达致这些更高的速度，IC在PCB设计和制造上都采用深度次微米尺寸(例如0.35μm)。这虽然缩减了几何尺寸而得到快得多的性能，但也会令这些器件更容易招致锁上(latch-up)及由瞬变引起的损害。而且，这些器件也要求更紧逼的能源管理以符合愈来愈严格的允许电压范围。
趋势要求具有热交换(hotswap)的能力，意味着你要能做到在现用系统里插入或除下电路板。这样做也是预告会有瞬变产生的。如此一来，无论插入的板抑或主板都必须有适当的保护作用。
无论小型化或高速化的趋势都有其独特的问题。例如，大电流能源分布对於小型、便携、手持式设备来说，就不是个大问题。而对於桌面电脑和服务器来说，延长的电池寿命也不会成为问题。不过，锁上和瞬变引致的损坏，在上述两方面都成为问题。
锁上和瞬变
对深度次微米IC从线宽的瞬变恶化了关於过电压状态的敏感性，意味着你要聪明一点，对这些器件进行保护，但同时又不要影响它们的性能。
在一个保护输入里，任何保护元件於正常运作下都必须呈现为一个高阻抗电路。它必须加载尽可能小的电容负荷，例如，假定它是对正常输入讯号加入小小效应的话。不过，在过电压的一瞬间，那同一个器件必须成为该瞬变电能的主要通路，将它从受保护器件的输入中引开。还有，保护器件的承受电压应该高於它保护的引脚上的最大允许电压。同理，它的箝位电压要足够低，以防止受保护器件的损坏，这是由於在瞬变情况下，输入上的电压会是保护器件的箝位电压。
以前，瞬变电压抑制(TVS)二极管在印刷电路板上有效地将瞬变箝位。传统的(TVS)二极管是固态PN结器件，低至5V的电压也工作得很好。它们有快速的响应时间，低的箝位电压，高的电流浪涌能力—全都是所希望的特性。不过，传统TVS二极管的问题是低於5V以下会抬起它的头。
在这里，它们所采用的雪崩技术是个障碍。要在5V以下达致Stand-off电压，要采用高度的掺杂(在1018/cm-3或以上)。这反过来，又会引致更高的电容和漏电电流，两者都会损害高性能的。传统的TVS二极管具有电压相关的电容，随电压减少而增加。例如，在5V下，典型的ESD保护二极管会有400pF的结电容。我们可以想像一下，这样的电容性负载加於100Base-TEthernet发射器或接收器的输入节点，或加於通用串行总线(USB)输入，会有甚麽问题。而且，这些正正是最需要进行瞬变保护的那些电路类型。
低於5V电压的情况下，传统的TVS二极管并非真正的选项。但这也不是说你再无可选择的了。由加州伯克莱大学和Semtech公司(加州NewburyPark市)共同开发的一种新技术，提供了一直低至2.8V工作电压的瞬变和ESD保护。你可以在一系列的TVS器件中去选定一种，具有合适的电容，stand-off电压，和箝位电压来符合自己系统的要求。之後，还要考虑应把该器件放在板上的甚麽地方，如何给电路板布线等问题。
在保护通路中的寄生电感会引起高电压的过冲及令IC损坏。在快速上升时间瞬变的情况尤甚，例如ESD。由ESD感应起的瞬变，据IEC1000-4-2的定义，会在不到1纳秒(ns)内到达它的峰值。以走线电感20nH/寸来计算，4份1寸走线自10A脉冲会引起50V的过冲。
你必须考虑所有可能的感应通路，包括地线返回通路，在TVS和保护线路之间的通路，以及由连接器至TVS器件的通路。而且，TVS器件应该尽可能地靠近连接器放置，以便将瞬变耦合到靠近的其他走线。
一块10/100Ethernet板是需要进行瞬变保护的子系统。在Ethernet交换器和路由器中所用的器件是暴露在高能量，雷电感应瞬变之下的。而所用的深度次微米IC在PCB设计上对过电压锁上又是极度敏感的。在典型系统里，每个端口所用的双绞线对介面由两个不同的讯号对所组成—一对用於发射器，另一对用於接收器。发射器输入通常是最容易受到损坏的，在一个线路对中会出现有差异的致命性放电，并且透过变压器以电容性地耦合到EthernetIC。
有一种情况是，讯号频率很高(100Mbit/s)而供电电压又低(典型是3.3V)，保护器件必须有很低的容性负载，而其stand-off电压远低於5V。还有另一种情况，其中在保护通路中的寄生电感可以导致很大的电压过冲。为使效率提到最高，电路板的布线应该是，保护器和受保护线路之间的通路必须减至最低，而在RJ45连接器和保护器之间的通路长度也减至最低。
热交换/即插即用
愈来愈多的系统其PCB设计是，在系统仍然加电期间，允许插板或插头随时插入和拔除。那些插板或插头会插入到或拔除自带有讯号，电源线和地线的插座，而且有很高机会产生瞬变。此外，该系统还能够动态地调整其电源，以适应突然增加或减少的电流负载。
蜂窝电话或其他可携电子设备会无心地带电期间插入到或拔除自充电的系统。这同样也会产生瞬变。在这里，除了瞬变保护之外，还需要有能源管理以适应突然增加或减少的电流负载。
USB介面的PCB设计，是给桌面系统与周边设备之间，提高一种高速的串行介接能力。还有，UB介面有一根电压供电线，可用来给连接着的周边设备供电。如果没有负载插入到USB插座里，它就是个开路的插座。由人体静电对该插座感应的ESD脉冲放电，会导通至电路板上，并会轻易地损坏USB控制器。
你必须确保这种高速总线里，无论数据线抑或电源线都采取了保护。并且，尽管能源管理已被写入到USB的规格中，但ESD的保护却还没有。
TVS器件可以用来提供适当的ESD保护。元件的放置和通路的长度仍然是重要的PCB设计问题。同样的排布指南应该仔细参详。务令TVS和受保护线之间的通路变短，并且务令TVS器件尽可能靠近端口连接器。
按照USB规格的需要，应该采用固体电路能源分发开关器进行能源管理。在PC主机中，它们提供短路电流保护和差错报告给控制器IC。在USB周边设备中，它们用来进行端口切换，差错报告和供电电压斜降控制。
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