傳統的經驗認為:穩健、連續的返回路徑可提供更好的電磁相容(EMC)表現。本文將討論返回路徑的不連續性及其與EMC的關係。

從驅動器到接收器之間,高品質的訊號通道通常都有較好的一致路徑以及連續的返回路徑。返回路徑受損會引起雜訊,它通常是由以下原因引起的:

  • 改變沿訊號路徑的參考平面
  • 參考平面內的不連續性

圖1顯示高頻電流流動的兩種模式。

20160512 Mentor TA31P1 圖1:常模(上)和共模(下)的高頻電流的流動

__常模:__常模(Normal mode)是相對簡單的模式。電流沿著閉路迴路流動,使沿迴路的總電流為零。該迴路足夠窄小,所以入射電流的輻射可被返回電流抵消。由微帶或帶狀線構成的返回路徑正好位於訊號線平面的正上/下方。因此,當訊號線穿越平面間隙時,就無法滿足條件。

__共模:__雜訊功率通過訊號線與位置緊密的平面(類似外殼的結構),可能形成返回路徑。電流流經訊號線所引起的雜訊並不會被附近的返回電流抵消,因而可能引發強輻射。實體尺寸更大的電路可作為天線,引發EMI與電磁耐受性(EMS)等問題。常模雜訊源可能是在共模中提到的參考平面不連續性。

圖2模擬穿越接地面上槽孔的微帶訊號線。驅動器位於槽孔左側,連接至阻抗匹配的訊號線與接地面。從驅動器流出的電流流至訊號線左側並返回接地面。由於槽孔存在,接地面的返回電流沿著孔隙擴散,圖中所示的一部份電流流至電路板邊緣。如圖中可看到,不連續性影響了常模電流的流動。

20160512 Mentor TA31P2 圖2:接地面槽孔周邊的返回電流(以Mentor Nimbic nWave建模)

差分對及其電流

更高頻率的訊號線可以使用差分對。差分對同時傳輸訊號本身及其反相訊號,以防範共模雜訊或感應雜訊。所有的串列解串器(SerDes)訊號,如PCI Express或Serial ATA都使用差分對。

許多差分對使用80至100Ω的差分阻抗。由於訊號對是緊密耦合的,所以差分對更能承受參考平面的不連續性。

接著看這兩種差分對:圖3a中的傳輸線間距更窄、介電層更薄,每條傳輸線的阻抗是73Ω。圖3b中,每條傳輸線阻抗約為50Ω。兩種電路都有100Ω的差分阻抗,但圖3b中的傳輸線間耦合更強。圖3a的傳輸線對於參考平面的耦合更強。典型設計將會介於上述兩種極端情況之間。

20160512 Mentor TA31P3 圖3:在(a)中,線路阻抗約73Ω;(b)中為50Ω

圖4顯示流經訊號線間距更寬的平面以及差分對的電流。雖然訊號線是差分對,但其運作就像電流彼此以相反方向流動的單端走線。

20160512 Mentor TA31P4 圖4:流經間隙的差分對

在平面間隙邊緣的兩端,由於失去平面參考路徑,返回電流耦合至訊號線(見圖5)。

對於平面間隙而言,差分對具有強韌性;然而,如圖6所示,在PCB上方5mm處測得的電場比窄間距走線(圖7)的電場更強得多。如圖7和圖8所示,在間隙區域存在強輻射(包括電場和磁場),特別是在更寬線間距的例子中。

20160512 Mentor TA31P5 圖5:參考平面上的返回電流耦合至訊號(中間的藍色和綠色箭頭)

20160512 Mentor TA31P6 圖6:平面上方5mm處測得的電場。中間可看到來自整個平面的顯著場輻射

20160512 Mentor TA31P7 圖7:平面上方的電場比上圖更小得多,但在平面間隙處可看到強輻射

20160512 Mentor TA31P8 圖8:差分對走線間距較小的例子。電流集中於兩條走線

差分對不應穿越其參考平面上的間隙或斷裂處。但從上述的模擬中可看到,即使發生了亦不至於釀禍。這些種類的影響難以用帶2D場解算器的傳統訊號完整性(SI)模擬來辨識。然而,可以使用3D場解算器擷取電流偏置和輻射效應。一旦完整表徵這種結構類型,取代了每次重新進行模擬,藉由查驗整塊板檢查這些問題時就更有意義。這種檢測可以採用整板電氣規則檢查引擎自動化完成。圖9即為差分對穿越平面斷裂的一個例子。在此例中,似乎可完全避免這種間隙跨越,而且也易於修改部局,從而免於這種穿越。

20160512 Mentor TA31P9 圖9:使用規則以避免(或減少)穿越參考面間隙的後果,圖來自HyperLynx DRC

總結

參考面經常是訊號傳輸路徑的一部份。無論是有意緊鄰訊號線安置的參考面,或是像設備機架那樣無意形成的返回路徑,電流總會流經這些參考面。電流迴路越緊密,所產生的EMI越小。透過3D場解算器對這種現象進行模擬驗證,需要大量的計算時間。消弭設計中返回路徑不連續問題的有效方法是使用規則檢查工具,來分析PCB的幾何形狀,並於幾分鐘內找到問題。除了最佳實踐和其它設計經驗外,也可以基於3D分析結果產生規則。