EMC学习笔记(五)传输线模型及反射、串扰

1.概述

在高速数字电路PCB设计中,当布线长度大于20分之一波长或信号延时超过6分之一信号上升沿时,PCB布线可被视为传输线。传输线有两种类型:微带线和带状线。与EMC设计有关的传输线特性包括:特征阻抗、传输延迟、固有电容和固有电感。反射与串扰会影响信号质量,同时从EMC的角度考虑,也是EMI的主要来源。

2.传输线模型

关于这部分在SI教程中有详细介绍,此处简单介绍。

https://mxioum.blog.csdn.net/article/details/123969250

3.传输线的种类

3.1 微带线(microstrip)

定义:与参考平面相邻的表层布线。

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对于我们常用的FR-4介质材料,er=4.5。传输延迟 TPD=142.2(ps/inch)

带状线(Stripline)

定义:在两参考平面之间的PCB布线

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对于我们常用的FR-4介质材料,er=4.5。传输延迟 TPD=180.3(ps/inch)

3.3 嵌入式微带线

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K与嵌入厚度有关,随着嵌入厚度的增大而减小,低于15mil时,K65,20mils时,K=60。

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4.传输线的反射

传输过程中的任何不均匀(如阻抗变化、直角拐角)都会引起信号的反射 ,反射的结果对模拟信号(正弦波) 是形成驻波,对数字信号则表现为上升沿 、下降沿的振铃和过冲 。这种过冲一方面形成强烈的电磁干扰,另一方面对后级输入电路的保护二极管造成损伤甚至失效。

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般而言,过冲超过0.7V就应采取措施。在下面的图中,信号源阻抗、负载阻抗是造成信号来回反射的原因。

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下面是有匹配电路和无匹配电路的对比:

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由于反射而在信号的上升沿和下降沿引起上冲、下冲和振铃,这些过冲和振铃不仅影响信号的完整性,而且是主要的EMI发射源。

5.串扰

如下图所示电路,由于在相邻PCB布线之间存在寄生电容Csv,高频信号会通过Csv引起互相干扰,在一路有脉冲信号通过时,另一路上在脉冲的上升沿和下降沿位置有干扰脉冲出现,这就是PCB布线间的串扰。串扰一方面影响信号质量,同时串扰脉冲也是EMI的主要发射源。下图说明与PCB布线间串扰有关的因素。

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即影响传输线间串扰的因数有:耦合长度L、源端、负载端的输入、输出阻抗,介电常数,传输线的宽度W、厚度T,与参考平面的高度H (换个角度: 分布电容 CSV、寄生电容 Cti、耦合电感L)

下表列举了不同条件下的串扰:

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