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PCB上走线间的串扰

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-07-09 10:53    浏览量:

“串扰”主要来自两相邻导体之间所形成的互感与互容。串扰会随着PCB的导线布局密度增加而越显严重,尤其是长距离总线的布局,更容易发生串扰的现象。这种现象是经由互容与互感将能量由一个传输线耦合到相邻的传输线上而产生的。串扰依发生位置的不同可以分成“近端串扰”和“远端串扰”。

4.2.1 互容

大家知道“假若两个导体之间存在电位差并且形成一个电场,那么这两个导体间就会产生一个电容”。将这个概念推广到PCB上,在PCB的两相邻通路或导线上,假如其中一个通路上存在一个电压,则该电压所形成的电场就会影响到相邻的通路。如果两个相邻的通路或导线上都存在电压,则这两个电压所形成的电场会彼此影响对方。这种相互影响的系数称为“互容”,互容的单位为法拉,或者是安培·秒/伏特(A·s/V)。如图4-5所示,两相邻通路与导线间若存在电位差就会产生互容,二个通路间的“互容耦合”可以简单地以一个连接在通路1和2之间的分布电容C 12 来表示。分布电容C 12 会注入一个耦合电流i M (又称互容电流)到通路2,i M 的大小和通路1上电压u 1 的变化率成正比,即

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式中,C 12 为通路1、2所形成的互容,其值与通路1、2之间的距离成反比; 为通路1上电压u 1 的变化率。

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图4-5 两相邻通路与导线间的“互容耦合

利用图4-5中的“互容耦合”等效电路可以计算出经C 12 从通路1耦合到通路2的噪声电压u N 。互容所造成的噪声电压与频率的关系 [13] 如图4-6所示。从图4-6中可以看到,当u 1 的频率低于 时,噪声电压uN=jωRC12u1,其中uN是频率的函数;当频率超过 以后, ,这时的u N 会维持在某个值,不再随着频率增加而持续变大。

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图4-6 互容所造成的噪声电压与频率的关系

一个互容的测量实例 [9] 如图4-7所示,测量的是两个1/4W电阻之间的互容。脉冲信号加在电阻R 2 上,利用示波器可观察R 3 上由互容引起的干扰电压。

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图4-7 互容的测量实例

4.2.2 互感

1.两相邻回路与导线间的“互感耦合”

大家知道“一根导线上假若有电流流过,会在导线周围形成一个磁场”,当相邻的两个回路上均有电流流经,则这两个电流所产生的磁场会相互感应,产生“互感”。“互感”随着两个回路之间距离的增大而变小。“互感”的单位为伏特·秒/安培(V·s/A),或者是亨利(H)。

两相邻回路与导线间的“互感耦合”等效电路如图4-8所示,两个回路间的互感的效果就好像是在两个回路间连接上了一个变压器。在图4-8中,回路1上的电流i 1 经由互感M感应一个噪声电压u N 到回路2,其中所感应的噪声电压会和回路1上的电流i 1 的变化率成正比,即

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式中,M为回路1和2所形成的互感; 为回路1的电流变化率。

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图4-8 两相邻回路与导线间的“互感耦合

2.PCB导线的电感

如图4-9所示,在PCB表面有一根布线宽度为W(m),长度为L(m)的信号线,在该PCB的里面有接地平面。这根信号线的单位长度的实际等效电感L eff (H)可以用下式 [14] 求得:

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图4-9一根PCB导线的等效电感

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式中,μ 0 为真空中的导磁率(4π×10 -7 H/m);h为布线和接地面之间的距离(m);W为布线的宽度(m);t为布线的厚度(m);l为导线长度。从式(4-12)可以看出,如果使电路板的厚度变薄,即缩小布线和接地面之间的距离,则能够减小电感。

对于如图4-10所示的表面有两根信号线,里面有接地平面的PCB,在两根信号线之间产生的互感 [14] 如下式所示:

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式中,μ 0 为真空中的磁导率(4π×10 -7 H/m);u=l/W;v=2d/W;布线宽度为W(m),它们之间的间隔为d(m);l 0 为单位长度。

从式(4-13)可知,两根信号线之间的距离越小,互感M越大。

3.互感的测量

一个互感的测量实例 [9] 如图4-11所示,测量的是两个1/4W电阻之间的互感。脉冲信号加在电阻R A 上,利用示波器可观察R B 上由互感引起的干扰电压。输入和输出电缆与电阻垂直连接,垂直连接可以尽可能地使电缆相互隔离,减少直接的馈通。脉冲发生器使用了反向端接。

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图4-10 两根PCB导线的互感

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图4-11 互感的测量实例

电阻R A 产生的磁场的一部分磁力线包围了电阻R B 。包围电阻R B 的磁通量占总磁通量的比例由两个电阻本身的物理尺寸和位置决定,并且是固定的。包围电阻R B 的磁力线被认为穿过了由电阻R B 形成的回路,穿过这一回路的总磁通量的任何变化都会在该回路上产生一个干扰电压。

对于磁场耦合,产生的噪声电压是串联在接收导线中的;而对于电场耦合,噪声电流是在接收导线和地间产生的。利用这一差异,在测试中可以区分是电场耦合还是磁场耦合:测量电缆一端阻抗上的噪声电压,同时减小电缆另一端的阻抗,若测量到的噪声电压减小了,则是电场耦合;若测量到的噪声电压增大了,则是磁场耦合。

4.2.3 拐点频率和互阻抗模型

1.拐点频率

对数字信号的频域分析表明高于拐点频率的信号会被衰减,因而不会对串扰产生实质影响,而低于拐点频率的信号所包含的能量足以影响电路工作,这是因为串扰可能造成噪声电平升高、产生有害尖峰毛刺、数据边沿抖动、意外的信号反射等问题。为保证一个数字系统能可靠工作,设计人员必须研究并验证所设计电路在拐点频率以下的性能。

拐点频率可以通过下式计算,即

f knee = 0.5/ t rise

为了尽可能减小PCB设计中的串扰,必须在容抗和感抗之间寻找平衡点,力求达到额定阻抗值(因为PCB的可制造性要求传输线阻抗得到良好控制)。当PCB设计完成之后,板上的元件、连接器和端接方式决定了哪种类型的串扰会对电路性能产生多大的影响。利用时域测量方法,通过计算拐点频率和理解PCB串扰(Crosstalk-on-PCB)模型,可以帮助设计人员设置串扰分析的边界范围。

2.互阻抗模型

PCB上两根走线之间的互阻抗模型如图4-12所示。互阻抗沿着两条走线呈均匀分布。串扰在数字门电路向串扰线输出脉冲信号的上升沿时产生,并沿着走线进行传播。

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图4-12 PCB上两根走线之间的互阻抗模型

① 互电容C m 和互电感L m 都会向相邻的被干扰线上耦合或“串扰”一个电压。

② 串扰电压以宽度等于干扰线上脉冲上升时间的窄脉冲形式出现在被干扰线上。

③ 在被干扰线上,串扰脉冲一分为二,然后开始向两个相反的方向传播。这就将串扰分成了两部分:沿原干扰脉冲传播方向传播的前向串扰和沿相反方向向信号源传播的反向串扰。

4.2.4 串扰类型

1.电容耦合式串扰

电容耦合式串扰如图4-13所示。当干扰线上的脉冲到达时,电路中的互容会使该脉冲通过电容向被干扰线上耦合一个窄脉冲(该耦合脉冲的幅度由互容的大小决定),然后耦合脉冲一分为二,并开始沿被干扰线向两个相反的方向传播。

2.电感耦合式串扰

电感耦合式串扰如图4-14所示。该电路中的互感在干扰线上传播的脉冲将对呈现电流尖峰的下个位置进行充电。这种电流尖峰会产生磁场,然后在被干扰线上感应出电流尖峰来。变压器会在被干扰线上产生两个极性相反的电压尖峰:负尖峰沿前向传播,正尖峰沿反向传播。

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图4-13 电容耦合式串扰

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图4-14 电感耦合式串扰

3.反向串扰

电容耦合式串扰和电感耦合式串扰产生的串扰电压会在被干扰线的串扰位置产生累加效应,所导致的反向串扰(如图4-15所示)具有以下特性。

① 反向串扰是两个相同极性脉冲之和。

② 由于串扰位置沿干扰脉冲边沿传播,故反向干扰在被干扰线源端呈现为低电平、宽脉冲信号,并且其宽度与走线长度存在对应关系。

③ 反射串扰的幅度独立于干扰线脉冲上升时间,但取决于互阻抗值。

4.前向串扰

需要重申的是,电容和电感耦合式串扰产生的串扰电压会在被干扰线的串扰位置累加。前向串扰(如图4-16所示)具有以下一些特性。

① 前向串扰是两个反极性脉冲之和。因为极性相反,所以产生的串扰结果取决于电容和电感的相对值。

② 前向串扰在被干扰线的末端呈现为宽度等于干扰脉冲上升时间的窄尖峰。

③ 前向串扰的宽度取决于干扰脉冲的上升时间。上升时间越短(上升越快),幅度越高,宽度就越窄。

④ 前向串扰的幅度还取决于线对长度。随着串扰位置沿干扰脉冲边沿的传播,被干扰线上的前向串扰脉冲将获得更多的能量。

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图4-15 反向串扰

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图4-16 前向串扰

4.2.5 减小PCB上串扰的一些措施

在PCB上减小串扰的一些措施如下所示。

① 通过合理的布局使各种连线尽可能地短。

② 由于串扰程度与施扰信号的频率成正比,所以布线时应使高频信号线(上升沿很短的脉冲)远离敏感信号线。

③ 应尽可能增加施扰线与受扰线之间的距离,而且避免它们平行。

④ 在多层板中,应使施扰线和受扰线与接地平面相邻。

⑤ 在多层板中,应将施扰线与受扰线分别设计在接地平面或电源平面的相对面。

⑥ 尽量使用输入阻抗较低的敏感电路,必要时可以用旁路电容降低敏感电路的输入阻抗。

⑦ 地线对串扰具有非常明显的抑制作用,在施扰线与受扰线之间布一根地线,可以将串扰降低6~12dB。如图4-17所示为采用地线和接地平面减少串扰电压的影响。

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图4-17 采用地线和接地平面减少串扰电

⑧ 应利用防止走线之间串扰的3W规则。3W规则的含义是:当有接地平面时,对于宽度是3W的信号线,如果其他走线的中心与它的中心之间的距离大于3W,就能避免串扰,如图4-18所示。

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图4-18 防止走线之间串扰的3W规则

⑨ 在PCB上,走线之间的互容和互感与走线的几何尺寸、位置,以及电路板材料的介电常数有关。由于这些参数都比较确定,所以可以对电路板上导线之间的串扰进行比较精确的计算,几乎所有的电磁兼容分析App都具有这个功能。

⑩ 虽然通过仔细的PCB设计可以减少串扰并削弱或消除其影响,但电路板上仍可能有一些串扰残留。因此,在进行电路板设计时,还应采用合适的线端负载,因为线端负载会影响串扰的大小和串扰随时间的弱化程度。

要想改善由互容所产生的串扰干扰,可以从两方面着手:一是减少互容C m ,其做法是在两相邻的传输线中间加进屏蔽措施,如图4-19所示,即在两个铜箔通路中间加装一个接地屏蔽通路来改善互容的干扰;二是在时序规格允许的情况下,增加状态转换较频繁的信号的上升时间。

互感所产生的串扰干扰如下所示:

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式中,Z a 为干扰线的特性阻抗;L m 为互感;t r 为输入到干扰线的入射电压的上升时间。

从式(4-14)可知,当干扰线上的电流产生剧烈变化时,互感会感应一个电动势到受扰线上。这个电动势(也就是串扰)的大小和两并行传输线间所形成的互感成正比,和干扰线上电流的上升时间成反比。

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图4-19 加装一个接地屏蔽通路可以改善

屏蔽措施对消除互感的干扰是没有效果的,只有减小流经互感的电流所形成的回路面积才是改善互感所产生的串扰较为简易可行的方法。从分析可知,互感会受两导线与接地平面间的距离的影响,两导线之间的互感量不仅与两导线之间的距离成反比,而且和导线与接地平面间的距离成正比。如图4-20所示,降低导线与接地平面间的平行高度(也即减小电流的回路面积),可以减少两导线间的互感量;另外,也可以将两相邻的平行导线布局成如图4-21所示的方式,这种方式可以减少两导线间相互交链的区域及两导线间的互感量 [10]

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图4-20 降低导线与接地平面间的平行高

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图4-21 减小两导线间的平行长度可以减


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