USB等高速差分信号是否需要包地?

硬件李工,Layout刘工的疑难杂症:

USB差分信号到底需不需要包地?对于李工来说,是非常想包地,而Layout张工则表示板上由于布线空间影响,根本就没有完整的空间包地。李工和张工同时咨询杨医生,是否有必要包地,如果不包地有没有风险?


杨医生回复:其实高速走线的设计跟包地真的没有多大关系,真正有关系的是信号间的干扰,专业术语也叫串扰,包地只是解决串扰的其中一个手段。如果串扰问题没有或者说是没影响,其实包地和不包地都可以。(高速信号一般都是多层板,有参考平面,这里大家就不要用两层板去和杨医生打太极)


李工和刘工都同意这个观点,但是还是不知道到底要不要包地?


杨医生回复:如果在包地和不包地都能满足信号质量的情况下,有两种选择,一个是很好,一个是更好。作为一名合格甚至优秀的设计师,一定会选择好,而包地则是更好的那一个。BUT请特别注意:如果另外一个不是更好,而是变成了比较好甚至是差,那你还不如去选择很好的那一个。这里就是杨医生的答案:包地如果可以包得很好,那么就是更好,你应该选择包。但是如果包地不完整,或者说是包地不合理,那么就不是更好,或许更糟。杨医生就建议不要去包地。因为对于高速信号线,在其设计合理的情况下不包地绝对也是可以满足信号质量的。


困扰着李工和刘工的这个疑难杂症估计也困扰了绝大部分的PCB设计工程师,硬件工程师等等。所以杨医生关于这个疑难杂症还特此做了下面的分析,用来解决大家的困惑。让硬件工程师更了解PCB设计工程师,让PCB设计工程师更加自信自己的设计。



加入包地线是如何减少串扰的?

杨医生分析:包地线是位于攻击性和被攻击线之间的隔离线,它可以有效的减少信号之间的电容,插入屏蔽地线后信号与地耦合,不在与邻近线耦合,使线间串扰大大降低。另外包地线不仅仅只是屏蔽了电场,附件动态线上的电流也在包地线上产生了方向相反的感应电流,包地线上的感应电流产生的磁力线进一步抵消了动态线在静态线位置处所产生的杂散磁力线。


包地不完整是如何变得更糟的?

杨医生分析:

其一:造成了额外的噪声和干扰。

如果差分信号仅仅只是在两边加上细细的地线,又没有加地过孔到平面,那么这根细细的地线相当于在两根信号线之间又增加了一根信号线,起到了一个桥的作用,把信号的干扰又传导到下一根信号。另外如果没有加地过孔或者只在一端加了,它就会有相当高的阻抗,这样仅对低频时的容性耦合有效。只有包地线完整的加上足够的地孔到地平面,才会在高频时对容性耦合和感性耦合都有效。如果包地线有开路,即多余的地线头,这时会在包地线上产生最大的EMI噪声,同时在开路处还会形成天线效应。



其二:包地线会对阻抗产生影响。

增加了地线的同时,也改变了信号的电磁场分布,降低了信号线的阻抗(这个也可以用共面阻抗进行计算下),随着信号性特性阻抗降低,同样大小的电压,信号将会流过更大的电流,这点对EMC是不利的。同时如果部分包地,部分不包地,阻抗也会不一致,可能会导致反射的发生。

经过仿真分析:1,当信号线到参考平面距离很小时,包地线对特性阻抗影响很小。2,当包地线距离适当加大时,包地线对信号线阻抗变化的影响逐渐减少。3,包地线的宽度对信号线阻抗影响不是很大。


附上杨医生经典医术:包地孔多远距离打一个比较合适?

杨医生回复:这里有两个经验法则,其一,信号的上升时间的空间延伸里至少有三个过孔。例如:如果上升时间为0.7ns,空间延伸为0.7nsX6in/ns=4.2inch,

接着4.2/3=1.4inch, 那么在1inch左右加一个地孔就比较合适。其二,按照每间隔信号的最高频率分量的四分之一波长打孔。


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杨医生简介

杨医生,80后,曾多次美国硅谷深造,高级PCB设计工程师,技术专家,曾获得四项PCB设计专利;设计过的产品项目数量总和500+,设计的最大单板项目50000pin+,设计过32层的硬板PCB项目以及16+4的软硬结合板项目,设计过1阶,2阶,3阶以及任意阶的HDI项目,擅长领域包括但不限于:PCB板级信号完整性分析,PCB板级电源完整性分析,PCB封装计,PCB layout设计,PCB工艺分析,板级EMC电磁兼容分析;杨医生医道:治于无形而出于前。

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