SI內(nèi)部培訓-電磁干擾

電磁干擾EMI城市交通事業(yè)部劉成興2013.1目錄2基礎知識1案例分析基礎知識大綱1.信號完整性的三種影響2.傳輸線的兩個特性及返回路徑3.信號定義和影響信號速度的因素4.傳輸線的阻抗特性與驅動5.傳輸線的一階模型1.信號完整性的三種影響:

①

時序

時序本身就是一個復雜的研究領域，在一個時鐘周期內(nèi)，必然發(fā)生一定數(shù)量的操作，必然在預算中劃分某段較短的時間并分配給各種不同的操作。例如，分配一些時間給門翻轉、將信號傳送至輸出門、等待時鐘進入下一級門、等待門讀出輸入端數(shù)據(jù)等。其中，容易忽視的一個問題是，互聯(lián)線對時序預算的影響。

②噪聲

在電路設計中，存在許多噪聲問題，比如：振鈴、反射、近端串擾、開關噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負載等。這些都是互聯(lián)線的電氣特性對數(shù)字信號波形所造成的不同影響。

乍一看，噪聲問題似乎無窮無盡、非?；靵y。但是，我們可以把這些噪聲問題歸納為四類特定的噪聲源：

Ⅰ.單一網(wǎng)絡的信號完整性

單一網(wǎng)絡的信號質(zhì)量：在信號路徑或返回路徑上由于阻抗突變而引起的反射與失真。

Ⅱ.兩個或多個網(wǎng)絡間的串擾

多網(wǎng)間的串擾：和理想回路與非理想回路耦合的互電容、互電感

Ⅲ.電源和地分配中的軌道坍陷

電源分配系統(tǒng)（PDS）中的軌道塌陷：在電源/地網(wǎng)絡中的阻抗壓降

設計電源和地分配的目標是使電源分配系統(tǒng)（PDS）的阻抗最小。低阻抗PDS應考慮一下特性：

A.相鄰的電源和地分配層平面的介質(zhì)應盡可能地薄，以使它們緊緊地靠近；

B.低電感的去耦電容

C.封裝時安排有多個很短的電源和地引腳

D.片內(nèi)加去耦電容

要使PDS的阻抗比較小，有兩條設計原則：低頻時，添加低阻抗的去耦電容；高頻時，使去耦電容和芯片焊接盤間的回路電感最小，以保持它們之間的阻抗低于一定值。

Ⅳ.來自整個系統(tǒng)的電磁干擾和輻射

來自元件或系統(tǒng)的電磁干擾

1

對于噪聲，一旦知道四種問題中每種噪聲的來源，那么找出和解決這種問題的一般方案就很清楚了。這就是為什么要把各種信號完整性噪聲問題分為以上四種類型的原因。

③電磁干擾

電磁干擾問題有三個方面：噪聲源、輻射傳播路徑和天線。

兩種最常見的電磁干擾源是：

Ⅰ.一部分差分信號轉換成共模信號最終在外部的雙絞電纜線上輸出；

Ⅱ.電路板上的地彈在外部單端屏蔽線上產(chǎn)生共模電流。附加的噪聲可以由內(nèi)部產(chǎn)生的輻射泄漏溢出屏蔽罩引起。

專題：電路設計中對阻抗的討論理解阻抗對電路設計的意義：阻抗不僅可以描述與信號完整性相關的問題，而且還可以用來得到信號完整性的解決方案和設計方法。

阻抗可以描述的問題：

1.任何阻抗突變都會引起電壓信號的反射和失真，這使信號質(zhì)量會出現(xiàn)問題。如果信號所受到的阻抗保持不變，就不會發(fā)生反射，信號也不會失真。衰減效應是由串聯(lián)和并聯(lián)阻抗引起的。

2.信號的串擾是由兩條相鄰信號線條（當然還有它們的返回路徑）之間的電場和磁場的耦合引起的，信號線間的互耦合電容和互耦合電感產(chǎn)生的阻抗決定了耦合電流的值。3.電源供電軌道的塌陷實際上與電源分布系統(tǒng)（PDS）的阻抗有關。系統(tǒng)中必然流動著一定的電流量以供給所有的芯片，并且由于在電源和地之間存在著阻抗，所以當芯片電流切換時，就會形成壓降。這個壓降意味著電源軌道和地軌道從正常值向下塌陷。4.最大的EMI根源是流經(jīng)外部電纜的共模電流，此電流由地平面上的電壓引起。在地平面上返回路徑的阻抗越大，電壓降即地彈就越大，由它再激起輻射電流。減少電纜電磁干擾的最常用的方法是在電纜周圍使用鐵氧體扼流圈，這主要是為了增加共模電流所受到的阻抗，從而減少共模電流。

阻抗與設計規(guī)則之間的關系：規(guī)則給實際的互聯(lián)線確定了一個具體的阻抗，而這個阻抗給信號提供了一個特定的環(huán)境，由此就產(chǎn)生了我們期望的性能。例如，使電源和地平面盡可能地靠近放置可以使得電源分布系統(tǒng)的阻抗很小，于是對于給定的電源和地電流，壓降也會降低，這有助于減小軌道塌陷和電磁干擾。

阻抗是連接物理設計和電氣性能的橋梁，我們的策略就是將期望的系統(tǒng)性能轉化成需要的阻抗和把物理設計轉化成阻抗的特性。建模和仿真是兩個關鍵步驟，它們的基礎是：把電氣特性轉化成阻抗描述，分析阻抗對信號的影響。

設計規(guī)則舉例：1.經(jīng)驗法則一：”相鄰信號線間的間隔大于10mil”這條設計規(guī)則可以使串擾最小化。2.經(jīng)驗法則二：“相鄰的電源和地平面層的距離小于5mil”是電源和地分布的設計規(guī)則。3.經(jīng)驗法則三：直徑為1mil、長為80mil的鍵合線的電阻值大概是0.1Ω.

鍵合線長0.2cm（即80mil）,直徑是0.0025cm（即1mil）,并且是由電阻率為2.5μΩcm的金屬構成，那么其電阻是：

電阻最佳近似的一種計算方法：

設想間距為25mil、有208個管腳的塑封扁平封裝（PQFP）中的其中一條引線，其總長度是0.5in,但是它的形狀不定，并且沒有恒定的橫截面。它的厚度通常是3mil，但是它的寬度從引出時的10mil變化到外部邊沿的20mil。

該如何估算兩端的阻值呢？這里關鍵詞是估算，如果需要最精確的結果，就要獲得導線形狀的精確外形并用3D建模工具，此工具在計算電阻時，可以考慮到寬度的變化。

一種方法就是假定導線的寬度是均勻變化的，即如果它的一端寬10mil，而另一端寬20mil，則它的平均寬度就是15mil。所以首先假設恒定橫截面為3mil厚、15mil寬，然后利用銅的電阻率，則引線的阻值就是：2.傳輸線的兩個特性及返回路徑

傳輸線是一種新的理想元件。傳輸線有兩個非常重要的特征：特性阻抗和時延。

通常，我們將傳輸線的返回路徑當做地線。而將它當做地，所引出的問題要比解決的問題還要多，使用返回路徑是一個好習慣。返回路徑的具體結構將影響地彈和電磁干擾問題。

為什么不用“地”這個詞？

當把另一條路徑當做地時，通常將它看成是所有電流的匯合點。返回電流從這一點流入，然后流到另一處有地接點的地方。這是一種完全錯誤的觀點。返回電流是緊靠著信號電流的。特別在高頻時，信號路徑和返回路徑的回路電感要最小化，這就意味著只要導體的情況允許，返回路徑會盡量靠近信號路徑分布。

再者，由返回電流并不能得到返回路徑的絕對電壓值。實際中，返回路徑有時是個電壓平面、而有時是一個低電壓平面。

在一開始，就強調(diào)指出第二條線不是地，而是返回路徑，一定要時時記住，所有的電流，無一例外，都必須構成回路。

我們把信號加到傳輸線上，開始時，信號路徑上的電流為一常量，它與施加的電壓和傳輸線的特性阻抗有關。

信號電流經(jīng)過傳輸線的分布電容流到返回路徑上，只有信號電壓變化的地方，即dv/dt不為零的地方，電流才從信號路徑流到返回路徑上。

下面討論一個特例：返回路徑是一個平面的情況

上圖給出了10MHZ和100MHZ正弦電流在微帶線和帶狀線中的分布情況，從圖中可以看出兩個重要特征：第一，由于趨膚效應，信號電流只分布在導體的表面；第二，返回路徑中的電流分布集中在信號路徑的下面，而且正弦頻率越高，電流分布越集中。

當頻率增加時，返回路徑上的電流選擇阻抗最低的路徑。這轉化到回路電感最低的路徑，即返回電流必將盡量靠近信號電流。無論信號路徑是彎曲的還是直角拐彎的，平面上的返回電流都會跟隨它。因為采用這種回路，信號路徑與返回路徑之間的回路電感就會保持最小。

3.信號定義和影響信號速度的因素

信號總是指信號路徑和返回路徑之間相鄰兩點的電壓差。

銅中的電子速度

信號在傳輸線上的傳播速度有多快？是否經(jīng)常錯誤的認為傳輸線中信號速度取決于導體中電子的速度？有了這個錯誤的認識，就會認為減小互聯(lián)線的電阻可以提高信號的傳播速度。電子的運動速度約為：1cm/s,這相當于螞蟻在地球上爬行的速度。

結論：導線上的電阻對傳輸線上信號的傳播速度幾乎沒有任何影響。低電阻并不意味著信號的速度快，必須糾正這個錯誤的觀念。

什么決定信號的傳播速度呢？

導線周圍的材料，信號在傳輸線導體周圍空間形成的突變電磁場的建立速度和傳播速度，三者共同決定了信號的傳播速度。

4.傳輸線的阻抗特性與驅動

傳輸線的瞬態(tài)阻抗：把信號每步受到的阻抗稱為傳輸線的瞬態(tài)阻抗。

瞬態(tài)阻抗取決于信號的速度（它是一個材料特性）和單位長度的電容。信號受到的瞬態(tài)阻抗僅由傳輸線的橫截面和材料的特性共同決定，與傳輸線的長度無關。

對于均勻傳輸線，當信號在上面?zhèn)鞑r，在任何一處受到的瞬態(tài)阻抗都是相同的，把這種“恒定瞬態(tài)阻抗”稱為“特性阻抗”。

把沿線特性阻抗是一個常量的傳輸線叫做可控阻抗傳輸線。如果電路板的尺寸大于6in(15.24cm)，而且時鐘頻率高于100MHZ，都應該制成可控阻抗電路板。

為什么傳輸線間距會影響其阻抗？若增加兩導線的距離，電容就會減小，相應的特性阻抗將增加；如果增加信號線的寬度，就會增加單位長度電容，相應的特性阻抗將減小。

傳輸線的阻抗：傳輸線的阻抗與時間有關，它取決于測量時間相對于信號往返時間的長短。在信號的往返時間內(nèi)，傳輸線前端的阻抗就是傳輸線的特性阻抗。在信號往返之后，根據(jù)傳輸線末端負載的不同，阻抗可在零到無窮大之間變化。注意：在高速數(shù)字系統(tǒng)中，對驅動器來說，長度大于幾英尺的互聯(lián)線并不表現(xiàn)為開路，而在信號跳變期間，它表現(xiàn)為一個純電阻。

例如：對于電路板3in長的傳輸線來說，信號往返時間約為1ns。如果驅動這條線的IC（集成電路）的上升時間小于1ns，那么從傳輸線前端看進去，驅動器受到的阻抗就是傳輸線的特性阻抗，即驅動器IC受到的阻抗表現(xiàn)為電阻。如果上升時間大于1ns，傳輸線的阻抗將是開路，而且信號跳變期間，由于信號前沿來回反彈，驅動器受到的阻抗將非常復雜。傳輸線的驅動高速驅動器驅動傳輸線時，傳輸線的阻抗在往返時間內(nèi)表現(xiàn)為電阻，其大小等于傳輸線的特性阻抗。信號的往返時間與材料的介電常數(shù)和傳輸線的長度有關。三種常見介電常數(shù)：空氣=1，F(xiàn)R4=4,陶瓷=10.驅動器可以模型化為一個高速切換的電壓源和一個源電阻。當源電阻很高時，加到傳輸線上的電壓就會很低。下圖畫出了特性阻抗為50歐姆的傳輸線上的源電壓的百分比?？梢钥闯?，當輸出源電阻也是50歐姆時，實際加到傳輸線上的電壓只有開路的一半。為了驅動傳輸線，就要使加到傳輸線上的電壓接近于源電壓，這要求驅動器輸出電阻與傳輸線的特性阻抗相比要非常小。例如：當輸出源電阻也是50歐姆時，實際加到傳輸線上的電壓只有開路電壓的一半，如果輸出電壓為3.3V,則加到傳輸線上的電壓只有1.65V.

如果傳輸線的特性阻抗為50歐姆，源電阻就應小于10歐姆。若輸出器件的輸出阻抗特別低，如10歐姆或更小，通常稱之為線性驅動器。結論：為了使初始加到傳輸線上的電壓更接近于源電壓，驅動器的輸出源電阻就必須很小----它的重要性僅次于傳輸線的特性阻抗。

5.傳輸線的一階模型

理想的傳輸線是一種新的理想電路元件，它有兩個重要特征：恒定的瞬態(tài)阻抗和相應的時延。這個理想模型是分布式模型，因為理想傳輸線的各個特性是分布在整條傳輸線上，而不是聚集在一個集總點上。

把信號路徑和返回路徑導線的每一小節(jié)描述成回路電感，就可以進一步近似物理傳輸線。如下圖，這個最簡單的傳輸線等效電路模型中，每兩個小電容就被一個小回路電感隔開。

每一節(jié)信號路徑和返回路徑都有相應的局部自感，兩電容之間的每節(jié)信號和返回路徑間又存在局部互感。其實，信號路徑的局部自感要比返回路徑的局部自感大10倍以上。

對信號來說，當它在傳輸線上傳播時，實際傳播的是從信號路徑到返回路徑的電流回路。從這種意義上講，所有信號電流流經(jīng)一個回路電感，此回路電感由信號路徑節(jié)和返回路徑節(jié)構成。對于傳輸線上的信號傳播和大多數(shù)串擾來說，信號路徑和返回路徑的局部電感并不怎么重要，只有回路電感才是重要的。當把理想的分布傳輸線近似為一系列的LC電路時，模型中的電感實際上就是回路電感。

例如：傳輸線的特性阻抗為50歐姆，介電常數(shù)為