周學(xué)成 陳超鑫
摘 要:在科技的引領(lǐng)下,電力電子電路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與要求提高較多,特別是高密度PCB設(shè)計,需要徹底解決串?dāng)_問題?;诖?,本文將圍繞串?dāng)_原理,探討提高信號完整性的方法,以便為電力電子電路設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:PCB電場;電子電路;串?dāng)_及屏蔽
引言:在當(dāng)今社會,電子產(chǎn)品功能復(fù)雜程度越來越高,性能也在不斷提高,電路板的密度較以往相比有較高攀升。信號頻率變高,以及電路板尺寸變小等問題,增加了PCB 設(shè)計中電場串?dāng)_的可能性?,F(xiàn)實(shí)表明,串?dāng)_是客觀存在的,但如果其超過一定界限,后果就會比較嚴(yán)重,可能會誘發(fā)電路的誤觸發(fā),影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了將電場串?dāng)_問題解決,需要在了解串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,尋找恰當(dāng)?shù)姆椒?,對?fù)面影響合理抑制。
1串?dāng)_的產(chǎn)生機(jī)理
串?dāng)_是較為籠統(tǒng)的概念,當(dāng)信號在傳輸線上按照既定軌跡傳播時,信號之間(這里特指相鄰信號)會出現(xiàn)干擾,干擾主要是由于電磁場的作用。受到電磁場影響,相互耦合才會發(fā)生,噪聲電壓信號出現(xiàn)。具體來說,串?dāng)_就是能量由一條線在不被認(rèn)可的情況下耦合到了另一條線上,串?dāng)_模型如圖1所示?,F(xiàn)實(shí)中,人們把噪聲源所在的位置節(jié)點(diǎn)稱為干擾線,另外的傳輸線稱為受擾線。研究發(fā)現(xiàn),串?dāng)_產(chǎn)生的物理原因比較簡單,是干擾和受擾線之間,因?yàn)轳詈系南嗷プ饔?,形成了耦合電感。在具體應(yīng)用中,當(dāng)傳輸線工作頻率較高,同時信號升降時間非常有限時,就會增加串?dāng)_的可能性。因?yàn)樵谶@一階段,瞬時電壓會轉(zhuǎn)換,從而誘發(fā)串?dāng)_問題。事實(shí)證明,兩條傳輸線的距離(作為核心參數(shù))至關(guān)重要,特別是在布線空間上,線的距離越小,意味著互感與互容會變大,從而形成嚴(yán)重串?dāng)_。
2串?dāng)_的危害
在線間串?dāng)_耦合在電力電子電路中是比較嚴(yán)重的危害,研究發(fā)現(xiàn),在總線系統(tǒng)中,需要始終保持傳輸線的有效特征,但實(shí)際應(yīng)用中,傳輸延遲會發(fā)生改變,和開關(guān)方式改變存在密切聯(lián)系。電場和磁場之間影響力的大小,會數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化有關(guān),數(shù)據(jù)狀態(tài)的不同,在某種程度會誘發(fā)電感和電容一系列參數(shù)的變化,在應(yīng)用期間,可能增大也可能減小。由此可以看出,由于傳輸線參數(shù)變化不定,會隨數(shù)據(jù)傳輸模式改變,想要實(shí)現(xiàn)精確的時序設(shè)計是非常困難的,而且信號完整性分析,難度也會比較高。在高密度PCB設(shè)計中,需要考慮多種PCB影響要素,實(shí)踐證實(shí),完整的接地平面在應(yīng)用中是基礎(chǔ)保障,在其輔助下,可以忽略交叉耦合影響(遠(yuǎn)信號線的)。盡管如此,當(dāng)功率較大信號穿過元件時,抗串?dāng)_能力將會被弱化。在PCB設(shè)計中,如果這方面的處理不到位,就會誘發(fā)以下兩種相對典型的故障。第一種,串?dāng)_引起的誤觸發(fā)。誤觸發(fā)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)頻次較高,主要是由信號串?dāng)_造成的,是最常見的故障[1]。串?dāng)_噪聲誘發(fā)的網(wǎng)絡(luò)邏輯錯誤如圖2所示。之所以會形成這樣的邏輯錯誤故障是因?yàn)樾盘柾ㄟ^耦合電容,會有噪聲脈沖形成,隨著脈沖的增多,會增加接收端的壓力,造成通信的困擾。如果脈沖強(qiáng)度過大,將會直接壓垮系統(tǒng),觸發(fā)脈沖一旦形成,邏輯功能混亂可能性便會增加。
第二種常見故障是串?dāng)_引起的時序延時。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中,需要解決的一個棘手以及系統(tǒng)問題就是時序問題。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)噪聲脈沖不斷疊加,并且沖破助力進(jìn)入到被干擾網(wǎng)絡(luò),就會造成網(wǎng)絡(luò)混亂,除了出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邏輯錯誤外,勢必會干擾信號,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號延時?;谏鲜銮闆r,在實(shí)際PCB設(shè)計中,時序延時通常較難控制。根本原因在于干擾源網(wǎng)絡(luò)本身靈活度高,具有不確定性,所以想要對延時(串?dāng)_引起的)有效抑制,必須采取屏蔽措施,提高系統(tǒng)電路穩(wěn)定性。
3屏蔽的原則與方法
結(jié)合前文介紹可知,串?dāng)_在PCB設(shè)計中屬于棘手又普遍的問題,其對系統(tǒng)的影響是多個角度的,同時也是比較負(fù)面的。為了將串?dāng)_消除,降低其可能性,最基本的方法是從串?dāng)_的原理出發(fā),采取恰當(dāng)?shù)钠帘畏椒?,讓干擾源網(wǎng)絡(luò)形成的耦合從源頭減小[2]。通過深度研究了解到,想要在PCB設(shè)計中,完全消除串?dāng)_是極不科學(xué)的,完全避免串?dāng)_,可能性為零。這一點(diǎn)前文已經(jīng)證實(shí)過,串?dāng)_是客觀存在的。雖然消除不可能,但可以在系統(tǒng)設(shè)計中將串?dāng)_弱化,使其接近于零。在現(xiàn)實(shí)工作中,可以從以下角度優(yōu)化:(1)在合理布線的前提下,將傳輸線間的距離按照需求適當(dāng)延長,這是最基本的措施,但往往效果理想?;蛘弑M可能地減少,讓傳輸線平行長度趨于理想,實(shí)現(xiàn)不同層間走線。實(shí)踐證明,不同層間走線屬于理想的屏蔽方案。(2)相鄰兩層的信號層至關(guān)重要,在高質(zhì)量走線時,為了保證效果。必須保證走線方向科學(xué),達(dá)到一定的垂直性。在現(xiàn)實(shí)工作中,盡量避免平行走線,這是最基本的保障,不容忽視。只有這樣,才能減少層間的串?dāng)_,抗串?dāng)_效果才能理想,并提高走線的合理性,實(shí)現(xiàn)串?dāng)_最小化。(3)在確保信號時序的基礎(chǔ)上,還要綜合考慮器件的性能。轉(zhuǎn)換速度低的器件往往應(yīng)用價值高,屬于相對理想的選擇。借助器件的選擇,使變化無限放緩(電場與磁場的),從而降低串?dāng)_,這種方法的效果十分理想。(4)在設(shè)計層疊時,需要綜合考慮多種因素。在滿足特征阻抗同時,還要將布線層的情況與參考平面的薄厚考慮進(jìn)去,增加介質(zhì)間的耦合度,從源頭減少耦合。(5)多層設(shè)計時,為了滿足線路使用要求,表層的電場耦合屬于關(guān)鍵,需要達(dá)到一定要求,只有強(qiáng)于中間層,才能降低串?dāng)_可能性。需要注意的是,針對相對敏感的信號線,為了保證降擾效果,應(yīng)全部分布在內(nèi)層。
4端接微分電路降擾法
端接微分電路降擾法實(shí)際應(yīng)用非常廣泛,其設(shè)計原理比較先進(jìn)。傳統(tǒng)的方法是站在傳輸線的物理形態(tài)角度,去考慮減小串?dāng)_的方法,例如:將耦合長度減小等?,F(xiàn)實(shí)中,雖然原有技術(shù)方法(減小串?dāng)_的)有一定的效果,但同樣也存在短板,需要用硬件的空間作為換取的條件。在這樣的前提下,一種新型抗串?dāng)_方法應(yīng)運(yùn)而生,該方法是以串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理為前提,通過平衡容性和感性的關(guān)系,將耦合合理控制。在具體應(yīng)用中,可采用端接微分電路,借助RC微分電路完成對串?dāng)_的抑制,串?dāng)_信號模型如下圖3所示。
結(jié)論:綜上所述,在多方面的需求下,許多過去被忽略的高速設(shè)計問題逐漸受到重視,對系統(tǒng)性能發(fā)揮著關(guān)鍵作用。對于串?dāng)_噪聲而言,在現(xiàn)實(shí)工作中,最關(guān)鍵的一環(huán)就是合理找出影響系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò),在此基礎(chǔ)上,采取系統(tǒng)性屏蔽措施。而不是盲目進(jìn)行抑制(針對串?dāng)_噪聲的),否則將會影響布線的效果,并和布線資源相矛盾。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),微分降擾法實(shí)施效果比較理想,不僅電路易于實(shí)現(xiàn),而且成本較低,具有重要意義。
參考文獻(xiàn):
[1]袁義生,蘭夢羅.電力電子電路PCB電場串?dāng)_及屏蔽研究[J].電子器件,2020,43(06):1215-1221.
[2]唐燕影.PCB布線產(chǎn)生的串?dāng)_及其解決辦法[J].計算機(jī)產(chǎn)品與流通,2017(08):263.
作者簡介:
周學(xué)成(1984-),男,湖南省長沙市人,大學(xué)本科學(xué)歷,中級工程師,研究方向:為電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)及自動化。