SI内部培训-电磁干扰

电磁干扰EMI城市交通事业部刘成兴2013.1目录2基础知识1案例分析基础知识大纲1.信号完整性的三种影响2.传输线的两个特性及返回路径3.信号定义和影响信号速度的因素4.传输线的阻抗特性与驱动5.传输线的一阶模型1.信号完整性的三种影响:

①

时序

时序本身就是一个复杂的研究领域，在一个时钟周期内，必然发生一定数量的操作，必然在预算中划分某段较短的时间并分配给各种不同的操作。例如，分配一些时间给门翻转、将信号传送至输出门、等待时钟进入下一级门、等待门读出输入端数据等。其中，容易忽视的一个问题是，互联线对时序预算的影响。

②噪声

在电路设计中，存在许多噪声问题，比如：振铃、反射、近端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载等。这些都是互联线的电气特性对数字信号波形所造成的不同影响。

乍一看，噪声问题似乎无穷无尽、非常混乱。但是，我们可以把这些噪声问题归纳为四类特定的噪声源：

Ⅰ.单一网络的信号完整性

单一网络的信号质量：在信号路径或返回路径上由于阻抗突变而引起的反射与失真。

Ⅱ.两个或多个网络间的串扰

多网间的串扰：和理想回路与非理想回路耦合的互电容、互电感

Ⅲ.电源和地分配中的轨道坍陷

电源分配系统（PDS）中的轨道塌陷：在电源/地网络中的阻抗压降

设计电源和地分配的目标是使电源分配系统（PDS）的阻抗最小。低阻抗PDS应考虑一下特性：

A.相邻的电源和地分配层平面的介质应尽可能地薄，以使它们紧紧地靠近；

B.低电感的去耦电容

C.封装时安排有多个很短的电源和地引脚

D.片内加去耦电容

要使PDS的阻抗比较小，有两条设计原则：低频时，添加低阻抗的去耦电容；高频时，使去耦电容和芯片焊接盘间的回路电感最小，以保持它们之间的阻抗低于一定值。

Ⅳ.来自整个系统的电磁干扰和辐射

来自元件或系统的电磁干扰

1

对于噪声，一旦知道四种问题中每种噪声的来源，那么找出和解决这种问题的一般方案就很清楚了。这就是为什么要把各种信号完整性噪声问题分为以上四种类型的原因。

③电磁干扰

电磁干扰问题有三个方面：噪声源、辐射传播路径和天线。

两种最常见的电磁干扰源是：

Ⅰ.一部分差分信号转换成共模信号最终在外部的双绞电缆线上输出；

Ⅱ.电路板上的地弹在外部单端屏蔽线上产生共模电流。附加的噪声可以由内部产生的辐射泄漏溢出屏蔽罩引起。

专题：电路设计中对阻抗的讨论理解阻抗对电路设计的意义：阻抗不仅可以描述与信号完整性相关的问题，而且还可以用来得到信号完整性的解决方案和设计方法。

阻抗可以描述的问题：

1.任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真，这使信号质量会出现问题。如果信号所受到的阻抗保持不变，就不会发生反射，信号也不会失真。衰减效应是由串联和并联阻抗引起的。

2.信号的串扰是由两条相邻信号线条（当然还有它们的返回路径）之间的电场和磁场的耦合引起的，信号线间的互耦合电容和互耦合电感产生的阻抗决定了耦合电流的值。3.电源供电轨道的塌陷实际上与电源分布系统（PDS）的阻抗有关。系统中必然流动着一定的电流量以供给所有的芯片，并且由于在电源和地之间存在着阻抗，所以当芯片电流切换时，就会形成压降。这个压降意味着电源轨道和地轨道从正常值向下塌陷。4.最大的EMI根源是流经外部电缆的共模电流，此电流由地平面上的电压引起。在地平面上返回路径的阻抗越大，电压降即地弹就越大，由它再激起辐射电流。减少电缆电磁干扰的最常用的方法是在电缆周围使用铁氧体扼流圈，这主要是为了增加共模电流所受到的阻抗，从而减少共模电流。

阻抗与设计规则之间的关系：规则给实际的互联线确定了一个具体的阻抗，而这个阻抗给信号提供了一个特定的环境，由此就产生了我们期望的性能。例如，使电源和地平面尽可能地靠近放置可以使得电源分布系统的阻抗很小，于是对于给定的电源和地电流，压降也会降低，这有助于减小轨道塌陷和电磁干扰。

阻抗是连接物理设计和电气性能的桥梁，我们的策略就是将期望的系统性能转化成需要的阻抗和把物理设计转化成阻抗的特性。建模和仿真是两个关键步骤，它们的基础是：把电气特性转化成阻抗描述，分析阻抗对信号的影响。

设计规则举例：1.经验法则一：”相邻信号线间的间隔大于10mil”这条设计规则可以使串扰最小化。2.经验法则二：“相邻的电源和地平面层的距离小于5mil”是电源和地分布的设计规则。3.经验法则三：直径为1mil、长为80mil的键合线的电阻值大概是0.1Ω.

键合线长0.2cm（即80mil）,直径是0.0025cm（即1mil）,并且是由电阻率为2.5μΩcm的金属构成，那么其电阻是：

电阻最佳近似的一种计算方法：

设想间距为25mil、有208个管脚的塑封扁平封装（PQFP）中的其中一条引线，其总长度是0.5in,但是它的形状不定，并且没有恒定的横截面。它的厚度通常是3mil，但是它的宽度从引出时的10mil变化到外部边沿的20mil。

该如何估算两端的阻值呢？这里关键词是估算，如果需要最精确的结果，就要获得导线形状的精确外形并用3D建模工具，此工具在计算电阻时，可以考虑到宽度的变化。

一种方法就是假定导线的宽度是均匀变化的，即如果它的一端宽10mil，而另一端宽20mil，则它的平均宽度就是15mil。所以首先假设恒定横截面为3mil厚、15mil宽，然后利用铜的电阻率，则引线的阻值就是：2.传输线的两个特性及返回路径

传输线是一种新的理想元件。传输线有两个非常重要的特征：特性阻抗和时延。

通常，我们将传输线的返回路径当做地线。而将它当做地，所引出的问题要比解决的问题还要多，使用返回路径是一个好习惯。返回路径的具体结构将影响地弹和电磁干扰问题。

为什么不用“地”这个词？

当把另一条路径当做地时，通常将它看成是所有电流的汇合点。返回电流从这一点流入，然后流到另一处有地接点的地方。这是一种完全错误的观点。返回电流是紧靠着信号电流的。特别在高频时，信号路径和返回路径的回路电感要最小化，这就意味着只要导体的情况允许，返回路径会尽量靠近信号路径分布。

再者，由返回电流并不能得到返回路径的绝对电压值。实际中，返回路径有时是个电压平面、而有时是一个低电压平面。

在一开始，就强调指出第二条线不是地，而是返回路径，一定要时时记住，所有的电流，无一例外，都必须构成回路。

我们把信号加到传输线上，开始时，信号路径上的电流为一常量，它与施加的电压和传输线的特性阻抗有关。

信号电流经过传输线的分布电容流到返回路径上，只有信号电压变化的地方，即dv/dt不为零的地方，电流才从信号路径流到返回路径上。

下面讨论一个特例：返回路径是一个平面的情况

上图给出了10MHZ和100MHZ正弦电流在微带线和带状线中的分布情况，从图中可以看出两个重要特征：第一，由于趋肤效应，信号电流只分布在导体的表面；第二，返回路径中的电流分布集中在信号路径的下面，而且正弦频率越高，电流分布越集中。

当频率增加时，返回路径上的电流选择阻抗最低的路径。这转化到回路电感最低的路径，即返回电流必将尽量靠近信号电流。无论信号路径是弯曲的还是直角拐弯的，平面上的返回电流都会跟随它。因为采用这种回路，信号路径与返回路径之间的回路电感就会保持最小。

3.信号定义和影响信号速度的因素

信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差。

铜中的电子速度

信号在传输线上的传播速度有多快？是否经常错误的认为传输线中信号速度取决于导体中电子的速度？有了这个错误的认识，就会认为减小互联线的电阻可以提高信号的传播速度。电子的运动速度约为：1cm/s,这相当于蚂蚁在地球上爬行的速度。

结论：导线上的电阻对传输线上信号的传播速度几乎没有任何影响。低电阻并不意味着信号的速度快，必须纠正这个错误的观念。

什么决定信号的传播速度呢？

导线周围的材料，信号在传输线导体周围空间形成的突变电磁场的建立速度和传播速度，三者共同决定了信号的传播速度。

4.传输线的阻抗特性与驱动

传输线的瞬态阻抗：把信号每步受到的阻抗称为传输线的瞬态阻抗。

瞬态阻抗取决于信号的速度（它是一个材料特性）和单位长度的电容。信号受到的瞬态阻抗仅由传输线的横截面和材料的特性共同决定，与传输线的长度无关。

对于均匀传输线，当信号在上面传播时，在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的，把这种“恒定瞬态阻抗”称为“特性阻抗”。

把沿线特性阻抗是一个常量的传输线叫做可控阻抗传输线。如果电路板的尺寸大于6in(15.24cm)，而且时钟频率高于100MHZ，都应该制成可控阻抗电路板。

为什么传输线间距会影响其阻抗？若增加两导线的距离，电容就会减小，相应的特性阻抗将增加；如果增加信号线的宽度，就会增加单位长度电容，相应的特性阻抗将减小。

传输线的阻抗：传输线的阻抗与时间有关，它取决于测量时间相对于信号往返时间的长短。在信号的往返时间内，传输线前端的阻抗就是传输线的特性阻抗。在信号往返之后，根据传输线末端负载的不同，阻抗可在零到无穷大之间变化。注意：在高速数字系统中，对驱动器来说，长度大于几英尺的互联线并不表现为开路，而在信号跳变期间，它表现为一个纯电阻。

例如：对于电路板3in长的传输线来说，信号往返时间约为1ns。如果驱动这条线的IC（集成电路）的上升时间小于1ns，那么从传输线前端看进去，驱动器受到的阻抗就是传输线的特性阻抗，即驱动器IC受到的阻抗表现为电阻。如果上升时间大于1ns，传输线的阻抗将是开路，而且信号跳变期间，由于信号前沿来回反弹，驱动器受到的阻抗将非常复杂。传输线的驱动高速驱动器驱动传输线时，传输线的阻抗在往返时间内表现为电阻，其大小等于传输线的特性阻抗。信号的往返时间与材料的介电常数和传输线的长度有关。三种常见介电常数：空气=1，FR4=4,陶瓷=10.驱动器可以模型化为一个高速切换的电压源和一个源电阻。当源电阻很高时，加到传输线上的电压就会很低。下图画出了特性阻抗为50欧姆的传输线上的源电压的百分比。可以看出，当输出源电阻也是50欧姆时，实际加到传输线上的电压只有开路的一半。为了驱动传输线，就要使加到传输线上的电压接近于源电压，这要求驱动器输出电阻与传输线的特性阻抗相比要非常小。例如：当输出源电阻也是50欧姆时，实际加到传输线上的电压只有开路电压的一半，如果输出电压为3.3V,则加到传输线上的电压只有1.65V.

如果传输线的特性阻抗为50欧姆，源电阻就应小于10欧姆。若输出器件的输出阻抗特别低，如10欧姆或更小，通常称之为线性驱动器。结论：为了使初始加到传输线上的电压更接近于源电压，驱动器的输出源电阻就必须很小----它的重要性仅次于传输线的特性阻抗。

5.传输线的一阶模型

理想的传输线是一种新的理想电路元件，它有两个重要特征：恒定的瞬态阻抗和相应的时延。这个理想模型是分布式模型，因为理想传输线的各个特性是分布在整条传输线上，而不是聚集在一个集总点上。

把信号路径和返回路径导线的每一小节描述成回路电感，就可以进一步近似物理传输线。如下图，这个最简单的传输线等效电路模型中，每两个小电容就被一个小回路电感隔开。

每一节信号路径和返回路径都有相应的局部自感，两电容之间的每节信号和返回路径间又存在局部互感。其实，信号路径的局部自感要比返回路径的局部自感大10倍以上。

对信号来说，当它在传输线上传播时，实际传播的是从信号路径到返回路径的电流回路。从这种意义上讲，所有信号电流流经一个回路电感，此回路电感由信号路径节和返回路径节构成。对于传输线上的信号传播和大多数串扰来说，信号路径和返回路径的局部电感并不怎么重要，只有回路电感才是重要的。当把理想的分布传输线近似为一系列的LC电路时，模型中的电感实际上就是回路电感。

例如：传输线的特性阻抗为50欧姆，介电常数为