处理(lǐ)高速PCB设计中的串扰

2021-09-02

处理(lǐ)高速PCB设计中的串扰

信号完整性测量已成為(wèi)开发数字系统过程中的关键步骤。信号完整性问题，例如串扰、信号衰减、地弹等，在传输線(xiàn)效应也很(hěn)关键的较高频率下会增加。

EMI 上升，因為(wèi)更快的边缘速度会产生相对于总線(xiàn)長(cháng)度更短的波長(cháng)，从而产生意外的辐射。这些辐射会增加串扰，并可(kě)能(néng)导致高速PCB设计在EMI/EMC 测试期间失败。

PCB中的串扰是什么？

PCB走線(xiàn)中引起的串扰

串扰是由一个PCB走線(xiàn)到另一条PCB走線(xiàn)的能(néng)量耦合引起的干扰，即使它们没有(yǒu)接触。它是由于電(diàn)场（電(diàn)容耦合）和磁场（電(diàn)感耦合）的相互作用(yòng)而发生的。磁场产生互感，電(diàn)场产生附近走線(xiàn)间的互電(diàn)容。互感负责在相邻（受害）線(xiàn)上感应電(diàn)流，该電(diàn)流与侵略者線(xiàn)上的電(diàn)流相反。由于互電(diàn)容而形成的電(diàn)容器将在受害線(xiàn)上的两个方向上通过電(diàn)流。

電(diàn)场和磁场耦合

当两条走線(xiàn)在同一层中彼此相邻或一条在相邻层中的另一条之上时，就会产生串扰。考虑沿同一方向运行的两条迹線(xiàn)。如果流经一条走線(xiàn)的信号幅度高于另一条走線(xiàn)，则可(kě)能(néng)会影响流经另一条走線(xiàn)的信号。在这里，具有(yǒu)较高幅度的轨迹将被称為(wèi)“侵略者”，而另一条轨迹则被称為(wèi)“受害者”。

在这种情况下，受害者走線(xiàn)中的信号将开始模仿攻击者走線(xiàn)的特征阻抗，而不是传导自己的信号。发生这种情况时，表示串扰已侵入系统。

串扰如何在系统中引起噪声？

每个電(diàn)信号都有(yǒu)不同的電(diàn)磁场。每当这些场重叠时，它们就会产生電(diàn)感、電(diàn)容或导電(diàn)耦合，从而导致 EMI。

由于互電(diàn)容和電(diàn)感引起的串扰引起的噪声

近端和遠(yuǎn)端串扰噪声

在受害線(xiàn)路的近端和遠(yuǎn)端感应的電(diàn)流会产生近端和遠(yuǎn)端噪声。

近端串扰总是正的，因為(wèi) Cm 和 Lm 产生的電(diàn)流总是奇数并流入节点。在PCB中，由于 Lm 产生的電(diàn)流大于 Cm 产生的電(diàn)流，因此遠(yuǎn)端串扰通常為(wèi)负值。

注意： 串扰噪声取决于受害線(xiàn)路的终端。 

有(yǒu)哪些不同类型的串扰？

根据干扰線(xiàn)路和干扰線(xiàn)路上的走線(xiàn)路由和位置，串扰可(kě)以分(fēn)类為(wèi)：

1. 電(diàn)容串扰：由于走線(xiàn)在顶部或彼此靠近而产生的電(diàn)容效应。

2. 電(diàn)感串扰：它是由于長(cháng)距离平行走線(xiàn)之间的磁场相互作用(yòng)而产生的。

電(diàn)感串扰有(yǒu)两种类型：正向串扰和反向串扰。前向是在驱动線(xiàn)路上距离驱动器最遠(yuǎn)端观察到的噪声/干扰，而后向串扰是在受害線(xiàn)路上最近端观察到的干扰。

受害者和攻击者線(xiàn)上的前向和后向串扰描述。

2.1 近端串扰（NEXT）：在传输線(xiàn)或電(diàn)缆的发射端测量。

2.2 遠(yuǎn)端串扰（FEXT）：在传输線(xiàn)或電(diàn)缆的接收端测量。

NEXT 和 FEXT 是根据施加激励的端口测量的。它可(kě)以发生在線(xiàn)路的任何地方，无论是双导體(tǐ)还是单端。 

差分(fēn) NEXT 和 FEXT 测量

注： NEXT 值以分(fēn)贝 (dB) 表示，并随传输频率而变化。NEXT 的更高 dB 意味着更少的干扰。 

3. 功率总和近端串扰 (PSNEXT)：它是三个攻击者对的 NEXT 之和，因為(wèi)它影响了第四个受害者对。PSNEXT 给出来自所有(yǒu)相邻線(xiàn)对的总串扰，并涉及测量与功率相关的所有(yǒu)線(xiàn)对到線(xiàn)对分(fēn)组。

4. 等電(diàn)平遠(yuǎn)端串扰（ELFEXT）： 它是涉及衰减补偿的 FEXT 的测量。

5. 外来串扰： 它给出了電(diàn)信系统PCB中串扰的测量。

上述类型是测量或量化系统中串扰的方法。

如何测量串扰？

串扰通常指定為(wèi)出现在受害線(xiàn)路上的信号相对于干扰線(xiàn)路的百分(fēn)比。它也可(kě)以用(yòng)低于驱动線(xiàn)路電(diàn)平的 dB 表示。NEXT 随传输频率而变化，因為(wèi)更高的频率会产生更多(duō)的干扰。dB 值越高，受干扰的链路/信道接收到的串扰就越少。FEXT 是根据系统S参数的串扰元素计算得出的。

串扰的公式由下式给出：

在哪里：

K = 一个常数，其值始终小(xiǎo)于 1，取决于電(diàn)路的上升时间和经历串扰的走線(xiàn)長(cháng)度。 

H 2 = 它是平行走線(xiàn)高度的乘积。

D 2 = 它是走線(xiàn)中心線(xiàn)之间的直接距离的乘积。

上述等式清楚地表明，可(kě)以通过降低 H 和最大化 D 来最小(xiǎo)化串扰。 

以 dB 為(wèi)单位的串扰由下式给出：

其中，V受害者是受害線(xiàn)的電(diàn)压和V侵略者是在侵略線(xiàn)上的電(diàn)压。

影响串扰幅度的因素

攻击者和受害者線(xiàn)之间的耦合度

发生耦合的距离

所用(yòng)终端类型的有(yǒu)效性

差分(fēn)对中的串扰是如何引起的？

差分(fēn)对中的串扰是由共模電(diàn)流引起的。

每当微分(fēn)系统出现不平衡时，场不再完全抵消，这导致它们与不平衡成比例地辐射。类似地，外部场可(kě)以在差分(fēn)对中感应出幅度不相等且相位相反的電(diàn)流，因此它们不再抵消。产生的電(diàn)流称為(wèi)共模電(diàn)流。与差模相比，共模串扰对系统性能(néng)的不利影响更大。

共模和差模串扰效应在频率方面的比较。图片来源：英特尔

产生串扰的原因有(yǒu)哪些？

電(diàn)容和電(diàn)感耦合：電(diàn)容耦合是由于寄生電(diàn)容，電(diàn)感耦合是由于互感。

传播速度差异：可(kě)以通过走線(xiàn)長(cháng)度匹配和传播延迟匹配来避免。 

PCB过孔： 带有(yǒu)短截線(xiàn)的PCB过孔会产生反射，从而产生产生串扰的振铃。避免这种情况的一种方法是背钻过孔。

增加的数据速率：随着数据速率的增加，上升时间也会增加。根据法拉第定律，随着上升时间的增加，串扰也会增加。减少此类信号之间串扰的一种方法是增加走線(xiàn)之间的间距。

電(diàn)路板尺寸：随着電(diàn)路板尺寸的增加，走線(xiàn)長(cháng)度也会增加，这些走線(xiàn)就像天線(xiàn)一样。因此，尽可(kě)能(néng)缩短走線(xiàn)長(cháng)度非常重要。

它是如何最小(xiǎo)化的？

使用(yòng)隔离的传输線(xiàn)：干扰源走線(xiàn)会在受干扰的走線(xiàn)上引起串扰，因此很(hěn)明显，干扰源電(diàn)压越高，串扰就越多(duō)。因此，最好根据信号幅度将网络组分(fēn)开。此策略可(kě)防止较大電(diàn)压网络 (3.3V) 影响较小(xiǎo)電(diàn)压网络 (1.5V)。

实施背钻通孔：通孔存根会降低信号完整性，从而增加串扰。这可(kě)以通过实施背钻来减少。

减少并行走線(xiàn)：更長(cháng)的走線(xiàn)（超过 500 密耳）会增加互感，从而增加串扰。

保持走線(xiàn)之间足够的间隔：在走線(xiàn)之间提供足够的间隔（采用(yòng) 3W 规则）。如果没有(yǒu)保持足够的分(fēn)离，那么它会增加互電(diàn)容 (Cm)。3W 规则将串扰降低了 70%。要实现 98% 的串扰减少，请选择 10W。

使用(yòng)保护走線(xiàn)： 保护走線(xiàn)用(yòng)于控制传输線(xiàn)之间的電(diàn)容串扰。应明智地使用(yòng)此类走線(xiàn)，因為(wèi)它们会使布線(xiàn)变得困难。

采用(yòng)正交布線(xiàn)：正交布線(xiàn) 相邻的信号层，以最大限度地减少它们之间的電(diàn)容耦合。

不要减少信号上升时间： 减少信号上升时间会增加串扰。

选择差分(fēn)对布線(xiàn)： 紧密耦合的差分(fēn)布線(xiàn)消除了串扰，因為(wèi)来自干扰源的噪声平均耦合到差分(fēn)对的两个分(fēn)支中，从而产生共模噪声。差分(fēn)对抑制有(yǒu)助于减少串扰的共模噪声。

正确终止偶数和奇数模式传输：可(kě)以 使用(yòng)三電(diàn)阻网络（T 终止）来终止奇数和偶数模式。 

确保整个系统串扰不超过 150mV。

串扰如何影响传输線(xiàn)参数？

受害者線(xiàn)上的電(diàn)磁场和侵略者線(xiàn)上的電(diàn)磁场相互作用(yòng)。反过来，它们会影响在传输線(xiàn)上传播的阻抗和信号。这两条線(xiàn)可(kě)以称為(wèi)双导體(tǐ)系统，其中两条单独的迹線(xiàn)影响通过它们的信号传播。可(kě)以考虑两种传播模式：偶模（两条線(xiàn)同相）和奇模（線(xiàn)相差 180 度）。

在奇模传输中，两条線(xiàn)之间会存在相当大的電(diàn)位差。该電(diàn)位差将增加等于互電(diàn)容值的有(yǒu)效電(diàn)容。

奇模传输期间的场線(xiàn)。

由于两条線(xiàn)路中的電(diàn)流流向相反的方向，因此将通过互感 (Lm) 值减少总電(diàn)感。

奇模传输期间的電(diàn)流。

奇模传输線(xiàn)阻抗由下式给出：

注意 Z差分(fēn)= 2Z奇数

奇数模式的传输線(xiàn)传播延迟由下式给出：

在偶模传输中，两条線(xiàn)路（受害者和攻击者）将始终具有(yǒu)相同的電(diàn)位。这将通过互電(diàn)容值降低有(yǒu)效電(diàn)容。

偶模传输期间的场線(xiàn)。

由于两条線(xiàn)路中的電(diàn)流流向相同的方向，因此将通过互感 (Lm) 值增加总電(diàn)感。

偶数模式的传输線(xiàn)阻抗由下式给出：

偶数模式的传输線(xiàn)传播延迟由下式给出：

无法在系统级减少串扰。集成的建模和表征周期可(kě)用(yòng)于减轻设备或封装级别的串扰。如果控制不当，它可(kě)能(néng)会使您的電(diàn)路板无法正常工作。即使 PCB设计人员确保走線(xiàn)之间的最小(xiǎo)间隔，它可(kě)能(néng)还不足以解决相关问题。