SI內(nèi)部培訓(xùn)-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(chǔ)知識(shí)1案例分析基礎(chǔ)知識(shí)大綱1.信號(hào)完整性的三種影響2.傳輸線的兩個(gè)特性及返回路徑3.信號(hào)定義和影響信號(hào)速度的因素4.傳輸線的阻抗特性與驅(qū)動(dòng)5.傳輸線的一階模型1.信號(hào)完整性的三種影響:

①

時(shí)序

時(shí)序本身就是一個(gè)復(fù)雜的研究領(lǐng)域，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，必然發(fā)生一定數(shù)量的操作，必然在預(yù)算中劃分某段較短的時(shí)間并分配給各種不同的操作。例如，分配一些時(shí)間給門翻轉(zhuǎn)、將信號(hào)傳送至輸出門、等待時(shí)鐘進(jìn)入下一級(jí)門、等待門讀出輸入端數(shù)據(jù)等。其中，容易忽視的一個(gè)問(wèn)題是，互聯(lián)線對(duì)時(shí)序預(yù)算的影響。

②噪聲

在電路設(shè)計(jì)中，存在許多噪聲問(wèn)題，比如：振鈴、反射、近端串?dāng)_、開(kāi)關(guān)噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負(fù)載等。這些都是互聯(lián)線的電氣特性對(duì)數(shù)字信號(hào)波形所造成的不同影響。

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

Ⅰ.單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性

單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量：在信號(hào)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(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_

多網(wǎng)間的串?dāng)_：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(luò)中的阻抗壓降

設(shè)計(jì)電源和地分配的目標(biāo)是使電源分配系統(tǒng)（PDS）的阻抗最小。低阻抗PDS應(yīng)考慮一下特性：

A.相鄰的電源和地分配層平面的介質(zhì)應(yīng)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(shí)安排有多個(gè)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(shè)計(jì)原則：低頻時(shí)，添加低阻抗的去耦電容；高頻時(shí)，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(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的電磁干擾和輻射

來(lái)自元件或系統(tǒng)的電磁干擾

1

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

③電磁干擾

電磁干擾問(wèn)題有三個(gè)方面：噪聲源、輻射傳播路徑和天線。

兩種最常見(jiàn)的電磁干擾源是：

Ⅰ.一部分差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成共模信號(hào)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(shè)計(jì)中對(duì)阻抗的討論理解阻抗對(duì)電路設(shè)計(jì)的意義：阻抗不僅可以描述與信號(hào)完整性相關(guān)的問(wèn)題，而且還可以用來(lái)得到信號(hào)完整性的解決方案和設(shè)計(jì)方法。

阻抗可以描述的問(wèn)題：

1.任何阻抗突變都會(huì)引起電壓信號(hào)的反射和失真，這使信號(hào)質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。如果信號(hào)所受到的阻抗保持不變，就不會(huì)發(fā)生反射，信號(hào)也不會(huì)失真。衰減效應(yīng)是由串聯(lián)和并聯(lián)阻抗引起的。

2.信號(hào)的串?dāng)_是由兩條相鄰信號(hào)線條（當(dāng)然還有它們的返回路徑）之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合引起的，信號(hào)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(shí)際上與電源分布系統(tǒng)（PDS）的阻抗有關(guān)。系統(tǒng)中必然流動(dòng)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(dāng)芯片電流切換時(shí)，就會(huì)形成壓降。這個(gè)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(shè)計(jì)規(guī)則之間的關(guān)系：規(guī)則給實(shí)際的互聯(lián)線確定了一個(gè)具體的阻抗，而這個(gè)阻抗給信號(hào)提供了一個(gè)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(duì)于給定的電源和地電流，壓降也會(huì)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)化成需要的阻抗和把物理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成阻抗的特性。建模和仿真是兩個(gè)關(guān)鍵步驟，它們的基礎(chǔ)是：把電氣特性轉(zhuǎn)化成阻抗描述，分析阻抗對(duì)信號(hào)的影響。

設(shè)計(jì)規(guī)則舉例：1.經(jīng)驗(yàn)法則一：”相鄰信號(hào)線間的間隔大于10mil”這條設(shè)計(jì)規(guī)則可以使串?dāng)_最小化。2.經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)規(guī)則。3.經(jīng)驗(yàn)法則三：直徑為1mil、長(zhǎng)為80mil的鍵合線的電阻值大概是0.1Ω.

鍵合線長(zhǎng)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(gòu)成，那么其電阻是：

電阻最佳近似的一種計(jì)算方法：

設(shè)想間距為25mil、有208個(gè)管腳的塑封扁平封裝（PQFP）中的其中一條引線，其總長(zhǎng)度是0.5in,但是它的形狀不定，并且沒(méi)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(shí)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(guān)鍵詞是估算，如果需要最精確的結(jié)果，就要獲得導(dǎo)線形狀的精確外形并用3D建模工具，此工具在計(jì)算電阻時(shí)，可以考慮到寬度的變化。

一種方法就是假定導(dǎo)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(shè)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(gè)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(gè)非常重要的特征：特性阻抗和時(shí)延。

通常，我們將傳輸線的返回路徑當(dāng)做地線。而將它當(dāng)做地，所引出的問(wèn)題要比解決的問(wèn)題還要多，使用返回路徑是一個(gè)好習(xí)慣。返回路徑的具體結(jié)構(gòu)將影響地彈和電磁干擾問(wèn)題。

為什么不用“地”這個(gè)詞？

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

再者，由返回電流并不能得到返回路徑的絕對(duì)電壓值。實(shí)際中，返回路徑有時(shí)是個(gè)電壓平面、而有時(shí)是一個(gè)低電壓平面。

在一開(kāi)始，就強(qiáng)調(diào)指出第二條線不是地，而是返回路徑，一定要時(shí)時(shí)記住，所有的電流，無(wú)一例外，都必須構(gòu)成回路。

我們把信號(hào)加到傳輸線上，開(kāi)始時(shí)，信號(hào)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(guān)。

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

下面討論一個(gè)特例：返回路徑是一個(gè)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(gè)重要特征：第一，由于趨膚效應(yīng)，信號(hào)電流只分布在導(dǎo)體的表面；第二，返回路徑中的電流分布集中在信號(hào)路徑的下面，而且正弦頻率越高，電流分布越集中。

當(dāng)頻率增加時(shí)，返回路徑上的電流選擇阻抗最低的路徑。這轉(zhuǎn)化到回路電感最低的路徑，即返回電流必將盡量靠近信號(hào)電流。無(wú)論信號(hào)路徑是彎曲的還是直角拐彎的，平面上的返回電流都會(huì)跟隨它。因?yàn)椴捎眠@種回路，信號(hào)路徑與返回路徑之間的回路電感就會(huì)保持最小。

3.信號(hào)定義和影響信號(hào)速度的因素

信號(hào)總是指信號(hào)路徑和返回路徑之間相鄰兩點(diǎn)的電壓差。

銅中的電子速度

信號(hào)在傳輸線上的傳播速度有多快？是否經(jīng)常錯(cuò)誤的認(rèn)為傳輸線中信號(hào)速度取決于導(dǎo)體中電子的速度？有了這個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，就會(huì)認(rèn)為減小互聯(lián)線的電阻可以提高信號(hào)的傳播速度。電子的運(yùn)動(dòng)速度約為：1cm/s,這相當(dāng)于螞蟻在地球上爬行的速度。

結(jié)論：導(dǎo)線上的電阻對(duì)傳輸線上信號(hào)的傳播速度幾乎沒(méi)有任何影響。低電阻并不意味著信號(hào)的速度快，必須糾正這個(gè)錯(cuò)誤的觀念。

什么決定信號(hào)的傳播速度呢？

導(dǎo)線周圍的材料，信號(hào)在傳輸線導(dǎo)體周圍空間形成的突變電磁場(chǎng)的建立速度和傳播速度，三者共同決定了信號(hào)的傳播速度。

4.傳輸線的阻抗特性與驅(qū)動(dòng)

傳輸線的瞬態(tài)阻抗：把信號(hào)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(hào)的速度（它是一個(gè)材料特性）和單位長(zhǎng)度的電容。信號(hào)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(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

對(duì)于均勻傳輸線，當(dāng)信號(hào)在上面?zhèn)鞑r(shí)，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(gè)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(shí)鐘頻率高于100MHZ，都應(yīng)該制成可控阻抗電路板。

為什么傳輸線間距會(huì)影響其阻抗？若增加兩導(dǎo)線的距離，電容就會(huì)減小，相應(yīng)的特性阻抗將增加；如果增加信號(hào)線的寬度，就會(huì)增加單位長(zhǎng)度電容，相應(yīng)的特性阻抗將減小。

傳輸線的阻抗：傳輸線的阻抗與時(shí)間有關(guān)，它取決于測(cè)量時(shí)間相對(duì)于信號(hào)往返時(shí)間的長(zhǎng)短。在信號(hào)的往返時(shí)間內(nèi)，傳輸線前端的阻抗就是傳輸線的特性阻抗。在信號(hào)往返之后，根據(jù)傳輸線末端負(fù)載的不同，阻抗可在零到無(wú)窮大之間變化。注意：在高速數(shù)字系統(tǒng)中，對(duì)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)度大于幾英尺的互聯(lián)線并不表現(xiàn)為開(kāi)路，而在信號(hào)跳變期間，它表現(xiàn)為一個(gè)純電阻。

例如：對(duì)于電路板3in長(zhǎng)的傳輸線來(lái)說(shuō)，信號(hào)往返時(shí)間約為1ns。如果驅(qū)動(dòng)這條線的IC（集成電路）的上升時(shí)間小于1ns，那么從傳輸線前端看進(jìn)去，驅(qū)動(dòng)器受到的阻抗就是傳輸線的特性阻抗，即驅(qū)動(dòng)器IC受到的阻抗表現(xiàn)為電阻。如果上升時(shí)間大于1ns，傳輸線的阻抗將是開(kāi)路，而且信號(hào)跳變期間，由于信號(hào)前沿來(lái)回反彈，驅(qū)動(dòng)器受到的阻抗將非常復(fù)雜。傳輸線的驅(qū)動(dòng)高速驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)傳輸線時(shí)，傳輸線的阻抗在往返時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)為電阻，其大小等于傳輸線的特性阻抗。信號(hào)的往返時(shí)間與材料的介電常數(shù)和傳輸線的長(zhǎng)度有關(guān)。三種常見(jiàn)介電常數(shù)：空氣=1，F(xiàn)R4=4,陶瓷=10.驅(qū)動(dòng)器可以模型化為一個(gè)高速切換的電壓源和一個(gè)源電阻。當(dāng)源電阻很高時(shí)，加到傳輸線上的電壓就會(huì)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。可以看出，當(dāng)輸出源電阻也是50歐姆時(shí)，實(shí)際加到傳輸線上的電壓只有開(kāi)路的一半。為了驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器輸出電阻與傳輸線的特性阻抗相比要非常小。例如：當(dāng)輸出源電阻也是50歐姆時(shí)，實(shí)際加到傳輸線上的電壓只有開(kāi)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(yīng)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(qū)動(dòng)器。結(jié)論：為了使初始加到傳輸線上的電壓更接近于源電壓，驅(qū)動(dòng)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(gè)重要特征：恒定的瞬態(tài)阻抗和相應(yīng)的時(shí)延。這個(gè)理想模型是分布式模型，因?yàn)槔硐雮鬏斁€的各個(gè)特性是分布在整條傳輸線上，而不是聚集在一個(gè)集總點(diǎn)上。

把信號(hào)路徑和返回路徑導(dǎo)線的每一小節(jié)描述成回路電感，就可以進(jìn)一步近似物理傳輸線。如下圖，這個(gè)最簡(jiǎn)單的傳輸線等效電路模型中，每?jī)蓚€(gè)小電容就被一個(gè)小回路電感隔開(kāi)。

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

對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，當(dāng)它在傳輸線上傳播時(shí)，實(shí)際傳播的是從信號(hào)路徑到返回路徑的電流回路。從這種意義上講，所有信號(hào)電流流經(jīng)一個(gè)回路電感，此回路電感由信號(hào)路徑節(jié)和返回路徑節(jié)構(gòu)成。對(duì)于傳輸線上的信號(hào)傳播和大多數(shù)串?dāng)_來(lái)說(shuō)，信號(hào)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(dāng)把理想的分布傳輸線近似為一系列的LC電路時(shí)，模型中的電感實(shí)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