PCB设计中的串扰

2020-07-30

用于网络的RF板、高速处理器的板以及许多其他系统对串扰强度有严格的要求。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明显。尽管您可能会尝试对设计进行正确的布局规划，但您可能会发现布局和布线会因攻击者的踪迹而产生强烈的串扰。

那么，在设计中哪里可以找到串扰，以及在PCB中识别出不良走线的最简单方法是什么？您可以使用全波场求解器，但是可以在PCB设计软件中使用更简单的分析功能来识别和抑制串扰。用于PCB设计和布局的最佳布局后仿真工具将使用具有简化数值算法的场求解器来计算附近走线之间的串扰，从而为您提供一种在设计中发现串扰的快速方法。

很简单，在PCB中承载信号的任何两个导体之间都可能发生串扰。这包括数字和模拟网络。当发生串扰时，一根导体（攻击者网络）上的信号将其自身的一部分耦合为附近导体（受害者网络）上的新信号。数字和模拟信号可能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，具体取决于两条或多条走线之间存在的主要寄生类型：

电容串扰。这种串扰是由于两条导体之间的宽边寄生电容和接地耦合电容而发生的。电容性串扰的大小与两个导体之间的寄生电容成正比。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，从而引起电容性串扰。

感应串扰。这种类型的串扰是由于导体的两个回路之间的寄生电感引起的。来自模拟攻击者信号的感应串扰信号的大小与攻击者迹线中电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。

电感和电容串扰分别取决于两条走线之间的互感和互电容。这些术语完全取决于不同导体之间的电磁相互作用和静电相互作用，以及这些导体在空间中的排列方式。这意味着您需要在布局后仿真中分析串扰。您无法做任何事情来从原理图中发现串扰。

找出两种类型的串扰都需要一些独特的分析步骤。您可以尝试使用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电平的分数。但是，由于实际PCB布局中的几何结构可能变得非常复杂，因此它们将不可避免地近似，从而使得互感和互电容难以精确确定。更好的选择是直接从PCB设计程序中使用布局后仿真工具。

完成PCB布局后，您可以采取步骤尝试并找出可能遭受大量串扰的网络。由于任何PCB中的几何形状都很复杂，因此任何给定的网络上都会存在多个寄生现象，即使您遵循基本的走线宽度和间隔规则，也可能会看到强烈的串扰  。在具有数百个网络的密集电路板上，您无需模拟每条迹线之间的串扰。取而代之的是，您只需要选择关键网络作为受害者迹线，并查看附近可能充当攻击者迹线的网络。

为此，您需要使用两个重要的仿真工具来分析串扰：

耦合分析。该分析的目的是确定两条迹线之间的耦合系数，并采取措施减小耦合系数太大的耦合系数。

串扰分析。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。

耦合分析

运行此工具时，用户选择要分析的网络。一旦计算出结果，就可以在您的布局中以表格格式和可视格式查看它们。受害者网络与其攻击者网络之间的耦合长度和强度可以在您的布局中视为热图，从而使您可以确定需要纠正的网络。

在下图中，网络N22287555与VDDS的耦合最强，这表明数字电源层中的噪声很容易耦合到该网络。网络USB0_ID与网络N22155575具有强耦合。这两个网络位于不同的层上，但没有被接地层隔开。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。可以使用热图从视觉上识别存在高耦合的特定区域，该热图显示了可能需要调整布线的哪个区域以抑制串扰。

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，就需要分离受害者和侵害者的迹线，或者在它们之间提供更大的隔离度。您永远无法完全消除串扰，但可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。这可以通过多种方式完成：

增加走线之间的间距。串扰与两条迹线之间的电磁场强度成正比。增大受害者和攻击者走线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，则很可能在平面层之间具有交错的信号层。平面层将提供不同信号层之间的自然隔离。如果没有空间在其当前层上移动信号路径，则可以在不同的信号层中路由受害迹线或差分对。

将走线移到更靠近接地平面的位置。接地平面会使攻击者迹线产生的电场和磁场失真，并增加它们之间的隔离度。

在有问题的迹线之间放置防护痕迹或通过围栏。就像在使用接地层一样，在两个走线之间放置接地走线或通过围栏也可以提供一定的屏蔽。每当您放置隔离结构时，最好始终使用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。如果两条走线携带相同类型的信号，则受害走线将在攻击者走线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线意味着带状线在被导体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相同特征阻抗和间距的带状线，则带状线的串扰会比微带小。

无论您是在另一层上路由受害信号还是增加间隔，都可能需要检查走线中的长度匹配。通过通孔布线会产生额外的传播延迟，这会在并行网络或差分对中引起  偏斜。请注意，如果愿意，可以将差分对的一端穿过内部层，只要您保持差分阻抗即可。

更改路由或层堆栈后，请使用软件中的“串扰分析”和“阻抗分析”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接受的水平。