PCB设计中的串扰

2020-07-30

用(yòng)于网络的RF板、高速处理(lǐ)器的板以及许多(duō)其他(tā)系统对串扰强度有(yǒu)严格的要求。信号标准中并不总是规定最大串扰强度，而且在设计中串扰最强烈的地方也不总是很(hěn)明显。尽管您可(kě)能(néng)会尝试对设计进行正确的布局规划，但您可(kě)能(néng)会发现布局和布線(xiàn)会因攻击者的踪迹而产生强烈的串扰。

那么，在设计中哪里可(kě)以找到串扰，以及在PCB中识别出不良走線(xiàn)的最简单方法是什么？您可(kě)以使用(yòng)全波场求解器，但是可(kě)以在PCB设计软件中使用(yòng)更简单的分(fēn)析功能(néng)来识别和抑制串扰。用(yòng)于PCB设计和布局的最佳布局后仿真工具将使用(yòng)具有(yǒu)简化数值算法的场求解器来计算附近走線(xiàn)之间的串扰，从而為(wèi)您提供一种在设计中发现串扰的快速方法。

很(hěn)简单，在PCB中承载信号的任何两个导體(tǐ)之间都可(kě)能(néng)发生串扰。这包括数字和模拟网络。当发生串扰时，一根导體(tǐ)（攻击者网络）上的信号将其自身的一部分(fēn)耦合為(wèi)附近导體(tǐ)（受害者网络）上的新(xīn)信号。数字和模拟信号可(kě)能(néng)以不同的方式引起串扰。

串扰以两种方式耦合到信号网络之间，具體(tǐ)取决于两条或多(duō)条走線(xiàn)之间存在的主要寄生类型：

電(diàn)容串扰。这种串扰是由于两条导體(tǐ)之间的宽边寄生電(diàn)容和接地耦合電(diàn)容而发生的。電(diàn)容性串扰的大小(xiǎo)与两个导體(tǐ)之间的寄生電(diàn)容成正比。对于模拟信号，容性耦合信号的强度随频率而增加，因此这种串扰在高频网络或数字信号具有(yǒu)非常快的边沿速率时会占主导地位。数字信号会在开关期间和之后引起瞬态振铃，从而引起電(diàn)容性串扰。

感应串扰。这种类型的串扰是由于导體(tǐ)的两个回路之间的寄生電(diàn)感引起的。来自模拟攻击者信号的感应串扰信号的大小(xiǎo)与攻击者迹線(xiàn)中電(diàn)流变化的速率成比例（即，与信号频率成比例）。数字信号会在开关过程中引起感应串扰，在此期间，从信号发出的磁场会在受害网络中感应变化的通量。

電(diàn)感和電(diàn)容串扰分(fēn)别取决于两条走線(xiàn)之间的互感和互電(diàn)容。这些术语完全取决于不同导體(tǐ)之间的電(diàn)磁相互作用(yòng)和静電(diàn)相互作用(yòng)，以及这些导體(tǐ)在空间中的排列方式。这意味着您需要在布局后仿真中分(fēn)析串扰。您无法做任何事情来从原理(lǐ)图中发现串扰。

找出两种类型的串扰都需要一些独特的分(fēn)析步骤。您可(kě)以尝试使用(yòng)串扰系数的解析方程式来量化不同类型的串扰，这将告诉您在受害者网络上感应出的攻击者信号電(diàn)平的分(fēn)数。但是，由于实际PCB布局中的几何结构可(kě)能(néng)变得非常复杂，因此它们将不可(kě)避免地近似，从而使得互感和互電(diàn)容难以精确确定。更好的选择是直接从PCB设计程序中使用(yòng)布局后仿真工具。

完成PCB布局后，您可(kě)以采取步骤尝试并找出可(kě)能(néng)遭受大量串扰的网络。由于任何PCB中的几何形状都很(hěn)复杂，因此任何给定的网络上都会存在多(duō)个寄生现象，即使您遵循基本的走線(xiàn)宽度和间隔规则，也可(kě)能(néng)会看到强烈的串扰  。在具有(yǒu)数百个网络的密集電(diàn)路板上，您无需模拟每条迹線(xiàn)之间的串扰。取而代之的是，您只需要选择关键网络作為(wèi)受害者迹線(xiàn)，并查看附近可(kě)能(néng)充当攻击者迹線(xiàn)的网络。

為(wèi)此，您需要使用(yòng)两个重要的仿真工具来分(fēn)析串扰：

耦合分(fēn)析。该分(fēn)析的目的是确定两条迹線(xiàn)之间的耦合系数，并采取措施减小(xiǎo)耦合系数太大的耦合系数。

串扰分(fēn)析。顾名思义，这涉及从攻击者到受害者的串扰信号的直接仿真。这是一个时域仿真，它将向您显示由于串扰而在受害网上引入的确切波形。

耦合分(fēn)析

运行此工具时，用(yòng)户选择要分(fēn)析的网络。一旦计算出结果，就可(kě)以在您的布局中以表格格式和可(kě)视格式查看它们。受害者网络与其攻击者网络之间的耦合長(cháng)度和强度可(kě)以在您的布局中视為(wèi)热图，从而使您可(kě)以确定需要纠正的网络。

在下图中，网络N22287555与VDDS的耦合最强，这表明数字電(diàn)源层中的噪声很(hěn)容易耦合到该网络。网络USB0_ID与网络N22155575具有(yǒu)强耦合。这两个网络位于不同的层上，但没有(yǒu)被接地层隔开。这应该说明在不同层的信号之间放置接地层的效果；它降低了潜在耦合信号的强度。可(kě)以使用(yòng)热图从视觉上识别存在高耦合的特定區(qū)域，该热图显示了可(kě)能(néng)需要调整布線(xiàn)的哪个區(qū)域以抑制串扰。

解决PCB布局中的串扰问题

一旦确定了容易受到串扰的网络，就需要分(fēn)离受害者和侵害者的迹線(xiàn)，或者在它们之间提供更大的隔离度。您永遠(yuǎn)无法完全消除串扰，但可(kě)以将其降低到不会导致接收机意外切换（对于数字信号）或波形失真过度（对于模拟信号）的程度。这可(kě)以通过多(duō)种方式完成：

增加走線(xiàn)之间的间距。串扰与两条迹線(xiàn)之间的電(diàn)磁场强度成正比。增大受害者和攻击者走線(xiàn)之间的间隔将降低受害者看到的场强，然后将降低耦合的串扰信号的强度。

在不同的层上路由受害者痕迹。如果创建堆栈以支持高速信号，则很(hěn)可(kě)能(néng)在平面层之间具有(yǒu)交错的信号层。平面层将提供不同信号层之间的自然隔离。如果没有(yǒu)空间在其当前层上移动信号路径，则可(kě)以在不同的信号层中路由受害迹線(xiàn)或差分(fēn)对。

将走線(xiàn)移到更靠近接地平面的位置。接地平面会使攻击者迹線(xiàn)产生的電(diàn)场和磁场失真，并增加它们之间的隔离度。

在有(yǒu)问题的迹線(xiàn)之间放置防护痕迹或通过围栏。就像在使用(yòng)接地层一样，在两个走線(xiàn)之间放置接地走線(xiàn)或通过围栏也可(kě)以提供一定的屏蔽。每当您放置隔离结构时，最好始终使用(yòng)3D EM场求解器量化该结构的效果  。

注意串扰是一个相互的过程。如果两条走線(xiàn)携带相同类型的信号，则受害走線(xiàn)将在攻击者走線(xiàn)上产生相同的串扰信号。这意味着解决一个网络的串扰问题也将抑制其攻击者的串扰。

从表面微带切换到带状線(xiàn)意味着带状線(xiàn)在被导體(tǐ)围绕时会产生较少的串扰，并且会被屏蔽以免受表面微带的影响。通常，如果从微带切换到具有(yǒu)相同特征阻抗和间距的带状線(xiàn)，则带状線(xiàn)的串扰会比微带小(xiǎo)。

无论您是在另一层上路由受害信号还是增加间隔，都可(kě)能(néng)需要检查走線(xiàn)中的長(cháng)度匹配。通过通孔布線(xiàn)会产生额外的传播延迟，这会在并行网络或差分(fēn)对中引起  偏斜。请注意，如果愿意，可(kě)以将差分(fēn)对的一端穿过内部层，只要您保持差分(fēn)阻抗即可(kě)。

更改路由或层堆栈后，请使用(yòng)软件中的“串扰分(fēn)析”和“阻抗分(fēn)析”工作流再次检查布局。这将确保您保持阻抗控制，同时将串扰降低到可(kě)接受的水平。