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發數字系統過程中的關鍵步驟。信號完整性問題，例如串擾、信號衰減、地彈等，在傳輸線效應也很關鍵的較高頻率下會增加。

EMI 上升，因為更快的邊緣速度會產生相對于總線長度更短的波長，從而產生意外的輻射。這些輻射會增加串擾，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走線中引起的串擾

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

電場和磁場耦合

當兩條走線在同一層中彼此相鄰或一條在相鄰層中的另一條之上時，就會產生串擾?？紤]沿同一方向運行的兩條跡線。如果流經一條走線的信號幅度高于另一條走線，則可能會影響流經另一條走線的信號。在這里，具有較高幅度的軌跡將被稱為“侵略者”，而另一條軌跡則被稱為“受害者”。

在這種情況下，受害者走線中的信號將開始模仿攻擊者走線的特征阻抗，而不是傳導自己的信號。發生這種情況時，表示串擾已侵入系統。

串擾如何在系統中引起噪聲？

每個電信號都有不同的電磁場。每當這些場重疊時，它們就會產生電感、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

在受害線路的近端和遠端感應的電流會產生近端和遠端噪聲。

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

注意： 串擾噪聲取決于受害線路的終端。 

有哪些不同類型的串擾？

根據干擾線路和干擾線路上的走線路由和位置，串擾可以分類為：

1. 電容串擾：由于走線在頂部或彼此靠近而產生的電容效應。

2. 電感串擾：它是由于長距離平行走線之間的磁場相互作用而產生的。

電感串擾有兩種類型：正向串擾和反向串擾。前向是在驅動線路上距離驅動器最遠端觀察到的噪聲/干擾，而后向串擾是在受害線路上最近端觀察到的干擾。

受害者和攻擊者線上的前向和后向串擾描述。

2.1 近端串擾（NEXT）：在傳輸線或電纜的發射端測量。

2.2 遠端串擾（FEXT）：在傳輸線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。它可以發生在線路的任何地方，無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 意味著更少的干擾。 

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

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

5. 外來串擾： 它給出了電信系統PCB中串擾的測量。

上述類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路上的信號相對于干擾線路的百分比。它也可以用低于驅動線路電平的 dB 表示。NEXT 隨傳輸頻率而變化，因為更高的頻率會產生更多的干擾。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 = 一個常數，其值始終小于 1，取決于電路的上升時間和經歷串擾的走線長度。 

H 2 = 它是平行走線高度的乘積。

D 2 = 它是走線中心線之間的直接距離的乘積。

上述等式清楚地表明，可以通過降低 H 和最大化 D 來最小化串擾。 

以 dB 為單位的串擾由下式給出：

其中，V受害者是受害線的電壓和V侵略者是在侵略線上的電壓。

影響串擾幅度的因素

攻擊者和受害者線之間的耦合度

發生耦合的距離

所用終端類型的有效性

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，場不再完全抵消，這導致它們與不平衡成比例地輻射。類似地，外部場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。產生的電流稱為共模電流。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。圖片來源：英特爾

產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：可以通過走線長度匹配和傳播延遲匹配來避免。 

PCB過孔： 帶有短截線的PCB過孔會產生反射，從而產生產生串擾的振鈴。避免這種情況的一種方法是背鉆過孔。

增加的數據速率：隨著數據速率的增加，上升時間也會增加。根據法拉第定律，隨著上升時間的增加，串擾也會增加。減少此類信號之間串擾的一種方法是增加走線之間的間距。

電路板尺寸：隨著電路板尺寸的增加，走線長度也會增加，這些走線就像天線一樣。因此，盡可能縮短走線長度非常重要。

它是如何最小化的？

使用隔離的傳輸線：干擾源走線會在受干擾的走線上引起串擾，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絡組分開。此策略可防止較大電壓網絡 (3.3V) 影響較小電壓網絡 (1.5V)。

實施背鉆通孔：通孔存根會降低信號完整性，從而增加串擾。這可以通過實施背鉆來減少。

減少并行走線：更長的走線（超過 500 密耳）會增加互感，從而增加串擾。

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

使用保護走線： 保護走線用于控制傳輸線之間的電容串擾。應明智地使用此類走線，因為它們會使布線變得困難。

采用正交布線：正交布線 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間： 減少信號上升時間會增加串擾。

選擇差分對布線： 緊密耦合的差分布線消除了串擾，因為來自干擾源的噪聲平均耦合到差分對的兩個分支中，從而產生共模噪聲。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 使用三電阻網絡（T 終止）來終止奇數和偶數模式。 

確保整個系統串擾不超過 150mV。

串擾如何影響傳輸線參數？

受害者線上的電磁場和侵略者線上的電磁場相互作用。反過來，它們會影響在傳輸線上傳播的阻抗和信號。這兩條線可以稱為雙導體系統，其中兩條單獨的跡線影響通過它們的信號傳播?？梢钥紤]兩種傳播模式：偶模（兩條線同相）和奇模（線相差 180 度）。

在奇模傳輸中，兩條線之間會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。

奇模傳輸期間的場線。

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

奇模傳輸期間的電流。

奇模傳輸線阻抗由下式給出：

注意 Z差分= 2Z奇數

奇數模式的傳輸線傳播延遲由下式給出：

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

偶模傳輸期間的場線。

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

偶數模式的傳輸線阻抗由下式給出：

偶數模式的傳輸線傳播延遲由下式給出：

無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，它可能會使您的電路板無法正常工作。即使 PCB設計人員確保走線之間的最小間隔，它可能還不足以解決相關問題。