處理高速PCB設計中的串擾

2021-09-02

處理高速PCB設計中的串擾

信號完整性測量已成為開(kāi)發(fā)數字系統過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。信號完整性問(wèn)題，例如串擾、信號衰減、地彈等，在傳輸線(xiàn)效應也很關(guān)鍵的較高頻率下會(huì )增加。

EMI 上升，因為更快的邊緣速度會(huì )產(chǎn)生相對于總線(xiàn)長(cháng)度更短的波長(cháng)，從而產(chǎn)生意外的輻射。這些輻射會(huì )增加串擾，并可能導致高速PCB設計在EMI/EMC 測試期間失敗。

PCB中的串擾是什么？

PCB走線(xiàn)中引起的串擾

串擾是由一個(gè)PCB走線(xiàn)到另一條PCB走線(xiàn)的能量耦合引起的干擾，即使它們沒(méi)有接觸。它是由于電場(chǎng)（電容耦合）和磁場(chǎng)（電感耦合）的相互作用而發(fā)生的。磁場(chǎng)產(chǎn)生互感，電場(chǎng)產(chǎn)生附近走線(xiàn)間的互電容?；ジ胸撠熢谙噜彛ㄊ芎Γ┚€(xiàn)上感應電流，該電流與侵略者線(xiàn)上的電流相反。由于互電容而形成的電容器將在受害線(xiàn)上的兩個(gè)方向上通過(guò)電流。

電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合

當兩條走線(xiàn)在同一層中彼此相鄰或一條在相鄰層中的另一條之上時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生串擾?？紤]沿同一方向運行的兩條跡線(xiàn)。如果流經(jīng)一條走線(xiàn)的信號幅度高于另一條走線(xiàn)，則可能會(huì )影響流經(jīng)另一條走線(xiàn)的信號。在這里，具有較高幅度的軌跡將被稱(chēng)為“侵略者”，而另一條軌跡則被稱(chēng)為“受害者”。

在這種情況下，受害者走線(xiàn)中的信號將開(kāi)始模仿攻擊者走線(xiàn)的特征阻抗，而不是傳導自己的信號。發(fā)生這種情況時(shí)，表示串擾已侵入系統。

串擾如何在系統中引起噪聲？

每個(gè)電信號都有不同的電磁場(chǎng)。每當這些場(chǎng)重疊時(shí)，它們就會(huì )產(chǎn)生電感、電容或導電耦合，從而導致 EMI。

由于互電容和電感引起的串擾引起的噪聲

近端和遠端串擾噪聲

在受害線(xiàn)路的近端和遠端感應的電流會(huì )產(chǎn)生近端和遠端噪聲。

近端串擾總是正的，因為 Cm 和 Lm 產(chǎn)生的電流總是奇數并流入節點(diǎn)。在PCB中，由于 Lm 產(chǎn)生的電流大于 Cm 產(chǎn)生的電流，因此遠端串擾通常為負值。

注意： 串擾噪聲取決于受害線(xiàn)路的終端。 

有哪些不同類(lèi)型的串擾？

根據干擾線(xiàn)路和干擾線(xiàn)路上的走線(xiàn)路由和位置，串擾可以分類(lèi)為：

1. 電容串擾：由于走線(xiàn)在頂部或彼此靠近而產(chǎn)生的電容效應。

2. 電感串擾：它是由于長(cháng)距離平行走線(xiàn)之間的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。

電感串擾有兩種類(lèi)型：正向串擾和反向串擾。前向是在驅動(dòng)線(xiàn)路上距離驅動(dòng)器最遠端觀(guān)察到的噪聲/干擾，而后向串擾是在受害線(xiàn)路上最近端觀(guān)察到的干擾。

受害者和攻擊者線(xiàn)上的前向和后向串擾描述。

2.1 近端串擾（NEXT）：在傳輸線(xiàn)或電纜的發(fā)射端測量。

2.2 遠端串擾（FEXT）：在傳輸線(xiàn)或電纜的接收端測量。

NEXT 和 FEXT 是根據施加激勵的端口測量的。它可以發(fā)生在線(xiàn)路的任何地方，無(wú)論是雙導體還是單端。 

差分 NEXT 和 FEXT 測量

注： NEXT 值以分貝 (dB) 表示，并隨傳輸頻率而變化。NEXT 的更高 dB 意味著(zhù)更少的干擾。 

3. 功率總和近端串擾 (PSNEXT)：它是三個(gè)攻擊者對的 NEXT 之和，因為它影響了第四個(gè)受害者對。PSNEXT 給出來(lái)自所有相鄰線(xiàn)對的總串擾，并涉及測量與功率相關(guān)的所有線(xiàn)對到線(xiàn)對分組。

4. 等電平遠端串擾（ELFEXT）： 它是涉及衰減補償的 FEXT 的測量。

5. 外來(lái)串擾： 它給出了電信系統PCB中串擾的測量。

上述類(lèi)型是測量或量化系統中串擾的方法。

如何測量串擾？

串擾通常指定為出現在受害線(xiàn)路上的信號相對于干擾線(xiàn)路的百分比。它也可以用低于驅動(dòng)線(xiàn)路電平的 dB 表示。NEXT 隨傳輸頻率而變化，因為更高的頻率會(huì )產(chǎn)生更多的干擾。dB 值越高，受干擾的鏈路/信道接收到的串擾就越少。FEXT 是根據系統S參數的串擾元素計算得出的。

串擾的公式由下式給出：

在哪里：

K = 一個(gè)常數，其值始終小于 1，取決于電路的上升時(shí)間和經(jīng)歷串擾的走線(xiàn)長(cháng)度。 

H 2 = 它是平行走線(xiàn)高度的乘積。

D 2 = 它是走線(xiàn)中心線(xiàn)之間的直接距離的乘積。

上述等式清楚地表明，可以通過(guò)降低 H 和最大化 D 來(lái)最小化串擾。 

以 dB 為單位的串擾由下式給出：

其中，V受害者是受害線(xiàn)的電壓和V侵略者是在侵略線(xiàn)上的電壓。

影響串擾幅度的因素

攻擊者和受害者線(xiàn)之間的耦合度

發(fā)生耦合的距離

所用終端類(lèi)型的有效性

差分對中的串擾是如何引起的？

差分對中的串擾是由共模電流引起的。

每當微分系統出現不平衡時(shí)，場(chǎng)不再完全抵消，這導致它們與不平衡成比例地輻射。類(lèi)似地，外部場(chǎng)可以在差分對中感應出幅度不相等且相位相反的電流，因此它們不再抵消。產(chǎn)生的電流稱(chēng)為共模電流。與差模相比，共模串擾對系統性能的不利影響更大。

共模和差模串擾效應在頻率方面的比較。圖片來(lái)源：英特爾

產(chǎn)生串擾的原因有哪些？

電容和電感耦合：電容耦合是由于寄生電容，電感耦合是由于互感。

傳播速度差異：可以通過(guò)走線(xiàn)長(cháng)度匹配和傳播延遲匹配來(lái)避免。 

PCB過(guò)孔： 帶有短截線(xiàn)的PCB過(guò)孔會(huì )產(chǎn)生反射，從而產(chǎn)生產(chǎn)生串擾的振鈴。避免這種情況的一種方法是背鉆過(guò)孔。

增加的數據速率：隨著(zhù)數據速率的增加，上升時(shí)間也會(huì )增加。根據法拉第定律，隨著(zhù)上升時(shí)間的增加，串擾也會(huì )增加。減少此類(lèi)信號之間串擾的一種方法是增加走線(xiàn)之間的間距。

電路板尺寸：隨著(zhù)電路板尺寸的增加，走線(xiàn)長(cháng)度也會(huì )增加，這些走線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣。因此，盡可能縮短走線(xiàn)長(cháng)度非常重要。

它是如何最小化的？

使用隔離的傳輸線(xiàn)：干擾源走線(xiàn)會(huì )在受干擾的走線(xiàn)上引起串擾，因此很明顯，干擾源電壓越高，串擾就越多。因此，最好根據信號幅度將網(wǎng)絡(luò )組分開(kāi)。此策略可防止較大電壓網(wǎng)絡(luò ) (3.3V) 影響較小電壓網(wǎng)絡(luò ) (1.5V)。

實(shí)施背鉆通孔：通孔存根會(huì )降低信號完整性，從而增加串擾。這可以通過(guò)實(shí)施背鉆來(lái)減少。

減少并行走線(xiàn)：更長(cháng)的走線(xiàn)（超過(guò) 500 密耳）會(huì )增加互感，從而增加串擾。

保持走線(xiàn)之間足夠的間隔：在走線(xiàn)之間提供足夠的間隔（采用 3W 規則）。如果沒(méi)有保持足夠的分離，那么它會(huì )增加互電容 (Cm)。3W 規則將串擾降低了 70%。要實(shí)現 98% 的串擾減少，請選擇 10W。

使用保護走線(xiàn)： 保護走線(xiàn)用于控制傳輸線(xiàn)之間的電容串擾。應明智地使用此類(lèi)走線(xiàn)，因為它們會(huì )使布線(xiàn)變得困難。

采用正交布線(xiàn)：正交布線(xiàn) 相鄰的信號層，以最大限度地減少它們之間的電容耦合。

不要減少信號上升時(shí)間： 減少信號上升時(shí)間會(huì )增加串擾。

選擇差分對布線(xiàn)： 緊密耦合的差分布線(xiàn)消除了串擾，因為來(lái)自干擾源的噪聲平均耦合到差分對的兩個(gè)分支中，從而產(chǎn)生共模噪聲。差分對抑制有助于減少串擾的共模噪聲。

正確終止偶數和奇數模式傳輸：可以 使用三電阻網(wǎng)絡(luò )（T 終止）來(lái)終止奇數和偶數模式。 

確保整個(gè)系統串擾不超過(guò) 150mV。

串擾如何影響傳輸線(xiàn)參數？

受害者線(xiàn)上的電磁場(chǎng)和侵略者線(xiàn)上的電磁場(chǎng)相互作用。反過(guò)來(lái)，它們會(huì )影響在傳輸線(xiàn)上傳播的阻抗和信號。這兩條線(xiàn)可以稱(chēng)為雙導體系統，其中兩條單獨的跡線(xiàn)影響通過(guò)它們的信號傳播?？梢钥紤]兩種傳播模式：偶模（兩條線(xiàn)同相）和奇模（線(xiàn)相差 180 度）。

在奇模傳輸中，兩條線(xiàn)之間會(huì )存在相當大的電位差。該電位差將增加等于互電容值的有效電容。

奇模傳輸期間的場(chǎng)線(xiàn)。

由于兩條線(xiàn)路中的電流流向相反的方向，因此將通過(guò)互感 (Lm) 值減少總電感。

奇模傳輸期間的電流。

奇模傳輸線(xiàn)阻抗由下式給出：

注意 Z差分= 2Z奇數

奇數模式的傳輸線(xiàn)傳播延遲由下式給出：

在偶模傳輸中，兩條線(xiàn)路（受害者和攻擊者）將始終具有相同的電位。這將通過(guò)互電容值降低有效電容。

偶模傳輸期間的場(chǎng)線(xiàn)。

由于兩條線(xiàn)路中的電流流向相同的方向，因此將通過(guò)互感 (Lm) 值增加總電感。

偶數模式的傳輸線(xiàn)阻抗由下式給出：

偶數模式的傳輸線(xiàn)傳播延遲由下式給出：

無(wú)法在系統級減少串擾。集成的建模和表征周期可用于減輕設備或封裝級別的串擾。如果控制不當，它可能會(huì )使您的電路板無(wú)法正常工作。即使 PCB設計人員確保走線(xiàn)之間的最小間隔，它可能還不足以解決相關(guān)問(wèn)題。