談談電路板中高速電路設計和低速電路設計的區(qū)別

隨著電子技術的發(fā)展，電子產品的功能和性能需求越來越多樣化，既有需要高速處理和傳輸?shù)膽?，也有對速度要求不高但需要穩(wěn)定可靠的低速應用。高速電路在現(xiàn)代通信、計算、存儲等領域中起著關鍵作用。低速電路在許多傳統(tǒng)和基礎應用中仍然占據(jù)重要地位，如家電控制、傳感器接口等。低速電路的PCB layout設計相對簡單，但同樣需要考慮穩(wěn)定性和可靠性。那么如何區(qū)分高速電路和低速電路對工程師有指導意義。

1.高速電路和低速電路的應用場景：

1.1.低速電路應用場景

低速電路適用于對速度要求不高但需要穩(wěn)定可靠的應用場景。以下是一些典型的低速電路應用場景：

1.家電控制：如洗衣機、冰箱、空調等家電的控制電路。

2.傳感器接口：如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。

3.工業(yè)控制：如PLC控制系統(tǒng)、工廠自動化設備等。

4.汽車電子：如車燈控制、車門控制、座椅調節(jié)等。

5.消費電子：如遙控器、電子玩具、簡單的顯示設備等。

低速電路在控制領域、數(shù)據(jù)采集領域應用特別多，在短時間內不需要進行大批量的數(shù)據(jù)處理，但是對穩(wěn)定性要求會比較高。比如安防領域的煙霧報警器，醫(yī)療器械領域的監(jiān)護儀。

1.2.高速電路的應用場景

高速電路通常用于需要快速數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膽脠鼍?。以下是一些典型的高速電路應用場景?/p>

1.通信設備：如5G基站、光纖通信、無線網(wǎng)絡設備等。

2.計算機和服務器：包括CPU、GPU、內存、硬盤接口（如NVMe SSD）等。

3.數(shù)據(jù)中心：用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲的高性能計算設備。

4.視頻處理：如高清視頻編碼解碼、圖像處理、視頻流傳輸?shù)取?/p>

5.高速接口：如USB 3.0/3.1、PCIe、HDMI、DisplayPort等。

高速電路在通訊設備，音視頻處理等需要在短時間進行大量數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理的場景中應用特別多，比如手機，電腦，服務器，路由器。

1.3.高速電路設計比低速電路設計強嗎

有些人覺得做高速電路產品的工程師都比低速電路產品的工程師要強，我個人認為只有PCB Layout的時候高速電路要比低速電路需要注意更多的細節(jié)，但是從電路原理圖設計、程序編寫、器件選型等，真的不能說高速就比低速強。我覺得高速和低速只是產品應用場景不太一樣。

如果這個時候，還覺得高速比低速強。那舉一個的例子：

假設有一個病人在醫(yī)院住院需要打點滴，大概需要從晚上20點打到凌晨3點，輸A藥200ml，B藥100ml，C藥100ml等等，以前小時候就是得注意點滴打多少了，到了一定量，就喊家人或者醫(yī)生換點滴瓶。但是對醫(yī)院的護士來說管很多病人，每天這樣換藥換點滴，要是當時有其他急事，就可能存在有些病人點滴沒及時換。這時候有出現(xiàn)了自動輸液機，把點滴放到機器上，設定好用量，設定好時間，就能按時按量給病人打多少。醫(yī)院里相信大家見到過這種輸液機。

這個輸液機只是執(zhí)行幾個控制功能吧，so easy ，難度不大。但是你想一下能不能像你的電腦手機一樣，出現(xiàn)一丁點的卡機或者死機，或者任何的不穩(wěn)定，這樣你敢用嗎。

高速電路和低速電路設計都要考慮的：芯片選型、阻容感等器件選型、電源管理、EMC和防靜電，其余方面兩者的側重點不一樣，只是兩者側重點不一樣。由ARM公司發(fā)出的A系列，R系列，M系列的芯片架構側重點不一樣。A系列更偏重于性能，比如蘋果電腦手機里就用A13，M系列更偏重于控制和實時性，比如STM32和GD32。

2.高速電路和低速電路的如何區(qū)分

高速電路和低速電路的區(qū)別，簡單來說就是分布式系統(tǒng)思維和集總式系統(tǒng)思維的區(qū)別，想必大家都學過電路分析、電磁場與電磁波這兩門課。電路分析的基爾霍夫定律KCL、KVL就是在集總式系統(tǒng)條件下的定理。電磁場中電場產生磁場，能量有轉換，不能再簡單的認為信號能量不會衰減，輻射等等。

但是高速電路和低速電路真的只是根據(jù)頻率來區(qū)分嗎？

對于極高頻信號（1GHz以上），直接當成高速信號處理。對于1GHz以下的，高速與低速的區(qū)分，取決于信號頻率和信號傳輸路徑的長度，我想有必要進行一個定性定量的探討：

首先要弄清楚一個誤區(qū)：信號周期頻率高的才屬于高速設計，事實上，設計中需要考慮的最高頻率往往取決于信號的有效頻率（或者稱為轉折頻率）Fknee。

2.1.Fknee有效頻率是什么

Fknee的定義：在傅里葉變換中可以了解到，信號都是由頻率為f的正弦波及其奇數(shù)次諧波組成。理想幅值VN=2/（3.14*N），可知各級諧波分量的幅值與其頻率（次數(shù)N）成反比。而現(xiàn)實生活中，各級諧波分量幅值要比計算出的對應分量理想幅值VN下降的更快，當現(xiàn)實幅值下降到對應分量理想幅值VN的70%，定義該諧波分量的幅值為信號的有效頻率Fknee。

工程實踐中，我們通常不會這么文鄒鄒。下面是Fknee簡單的定義：關于有效頻率Fknee=0.5/Tr（10%~90%），Tr指信號從10%幅值到90%幅值的上升時間。

如何計算Fknee：在有測試板等現(xiàn)成電路時，可以直接測信號10%到90%的上升時間進行判定；若沒有現(xiàn)成電路，則取7倍的信號周期頻率Fclock為信號的有效頻率Fknee即可。

2.2.區(qū)分高速和低速的步驟：

1.獲取信號的有效頻率Fknee以及信號傳輸路徑（信號線）的長度L；

信號傳輸路徑長度就是，該信號從哪里出發(fā)，到達終點走過了多遠的路。

2.計算有效波長λknee，利用C=F*λ；C為電傳輸?shù)乃俣龋缘陀诠馑?，但可以看成光速?/p>

3.將L與1/6*λknee做比較，若L＞1/6λknee，則為高速信號，否則為低速信號。

3.高速電路與低速電路的PCB板設計

高速電路和低速電路的PCB板在設計和制造上有許多不同之處，但也有一些共同點。以下是對高速電路和低速電路PCB板的異同進行詳細分析：

3.1.相同點

1. 基本材料

無論是高速電路還是低速電路，PCB板的基本材料通常都是FR-4（環(huán)氧樹脂玻璃纖維布層壓板）。當然，高速電路在某些情況下可能會使用更高性能的材料，如陶瓷基板或高頻材料（如Rogers材料）。

2. 制造工藝

兩者在制造工藝上有許多相似之處，如蝕刻、鉆孔、電鍍、絲印等基本工藝步驟。

3. 設計軟件

高速電路和低速電路的PCB設計軟件有Altium Designer、Cadence Allegro、Mentor Graphics PADS、JLC-EDA等。

這是一張高速電路PCB Layout設計的圖片，可以看出，里面的布線是很緊密的。

3.2.不同點

1.層數(shù)

高速電路：通常需要多層PCB（4層、6層、甚至更多），以確保信號完整性和電源穩(wěn)定性。

低速電路：一般使用單層或雙層或者四層PCB，設計相對簡單。

2.信號完整性

高速電路：需要特別關注信號完整性問題，如反射、串擾、時序誤差等。設計中會使用差分對、阻抗控制、地平面等技術。

低速電路：信號完整性問題較少，設計中不需要特別關注這些問題。

3.電源管理

高速電路：對電源的要求較高，需要穩(wěn)定的電源供應和良好的電源去耦。通常會使用多個電源層和去耦電容。

低速電路：對電源的要求相對較低，設計中電源層和去耦電容的使用較少。

4.電磁干擾（EMI）

高速電路：更容易產生電磁干擾，需要采取屏蔽、濾波等措施來抑制干擾。設計中會使用屏蔽層、濾波器等。

5.布線規(guī)則

高速電路：布線規(guī)則較為嚴格，需要考慮阻抗匹配、差分對布線、過孔數(shù)量和位置等。

低速電路：布線規(guī)則相對寬松，不需要特別考慮阻抗匹配和差分對布線。

6.熱管理

高速電路：通常功耗較高，需要良好的熱管理。設計中會使用熱導通孔、散熱片等。

低速電路：功耗較低，熱管理問題較少。

7.測試和驗證

高速電路：需要進行復雜的測試和驗證，如信號完整性分析、時序分析、EMI測試等。

低速電路：測試和驗證相對簡單，主要關注功能測試和基本的電氣性能測試。

3.3.板層與制造工藝

對于針對低速電路的PCB設計，那么我們選用單層，雙層，復雜點的選4層PCB也差不多足夠了，這樣在實現(xiàn)功能的同時，也可以做到節(jié)省成本。

但是對于高速電路設計，存在許多高速信號線、有BGA封裝的引腳需要把線扇出，這個時候可能需要用到6層、8層、10多層的設計。這個時候可能需要考慮性能與成本綜合因素。很多高速電路板在布線難的情況下使用了很多盲埋孔、盤中孔等特殊的工藝，甚至有的在PCB上鍍金鍍銀來達到性能要求，這樣對于PCB的成本會比較高。

在這里，我有一些提高PCB電路板性能上的工藝推薦：據(jù)我了解，國內的板廠里面，許多家都改進了生產工藝，以嘉立創(chuàng)來說，在6層及以上的電路板上盤中孔工藝可以免費使用，在緊密布局布線方便很多，然后在PCB表面處理工藝上，它們家使用沉金工藝，免費加厚，1U’’的價格2U’’的品質，焊盤表面平整，在焊接性能上對于BGA這種焊盤，能有效防止虛焊漏焊。

4.總結

本文從高速電路和低速電路的應用場景、到如何區(qū)分高低速電路、最后再講到高速電路和低速電路在PCB板的設計上有何區(qū)別。關于高速電路設計和低速電路設計還有需要注意的，大家可以評論區(qū)提出來進行討論。