高速PCB设计串扰分析

　　

　　高速PCB设计中的串绕既可以是由互电感产生的磁场耦合引起的，也可以是由互电容产生的电场耦合引起的。图1是两种耦合传输线串扰的模型，其中近端串扰是指在被干扰线上靠近干扰线驱动器的串扰，远端串扰是指被干扰线上靠近干扰线接收端的串扰。

　　

　　磁场(感性)和电场(容性)串扰模型图

　　

　　感性耦合是由于干扰源上的电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的干扰。图1中线路ab上传输信号的磁场在线路cd上感应出电压，可以把干扰线看作变压器的一次侧，把被干扰线看作变压器的二次侧，被干扰线产生的电流在近端负载电阻和远端负载电阻中流动。由互感耦合引起的各点波形如图2(a)所示，图2中Tp为传输线的延迟时间，Tr为驱动信号的上升时间。由图2(a)可知远端耦合产生一个负脉冲，其脉冲宽度为Tr，近端耦合存2TP时间展开，其幅度不变，但它们耦合串扰的总面积相等。串扰耦合总面积大小与LM(dIs/dt)、耦合长度成正比。

　　

　　容性耦合是由于干扰源上的电压变化在被干扰对象上引起感应电流从而导致的干扰。由互容耦合引起的各点波形如图2(b)所示，与互感耦合不同的地方是远端耦合为正脉冲。其耦合串扰面积大小与CM[(dv/dt)、耦合长度成正比。

　　

　　感性与容性共同耦合的串扰，实质是两种耦合串扰叠加的结果。由图2可知，电感耦合和电容耦合串扰都试图在近端d加强它们的效果(它们在d点的极性相同)，而在远端c试图抵消彼此的效果(它们在c点的极性相反)。近端串扰脉冲的幅度大小是常数，而脉冲宽度由耦合区域表示的传播时间Tp的2倍。远端脉冲的宽度大约为干扰线上脉冲的上升时间Tr，幅度大小随着耦合长度的增大而加大。正常条件下，在一个完整平面上，感性和容性的串扰电压大小基本相等，在PCB线路中带状线电路具有很好的感性和容性耦合平衡性，其远端串扰小；对于微带线路，与串扰相关的电场大部分穿过空气，而不是其他的绝缘材料，因此容性串扰比感性串小，导致其远端耦合是一个负数。如果串扰是主要面对的问题，那么就把所有的敏感走线都布置成带状线。

　　

　　互感和互容耦合串扰波形图

　　

　　串扰对系统的影响一般都是负面的，在高密度复杂PCB设计中不可能完全避免串扰。为减少串扰，基本的就是让干扰源网络与被干扰网络之间的耦合越小越好。我们在系统设计中就应该在考虑不影响系统其它性能的情况下，选择适当的方法来力求串扰的小化。结合上面的分析，解决串扰问题主要从以下几个方面考虑：

　　

　　在布线条件允许的条件下，尽可能拉大传输线间的距离；或者尽可能地减少相邻传输线间的平行长度(累积平行长度)，好是在不同层间走线；

　　

　　在确保信号时序的情况下，尽可能选择转换速度低的器件，使电场与磁场的变化速率变慢，从而降低串扰；

　　

　　相邻两层的信号层(无平面层隔离)走线方向应该垂直，尽量避免平行走线以减少层间的串扰；