返回路径的不连续性和EMI间的关系详解

传统经验认为：坚实、连续的返回路径可提供更好的电磁兼容(EMC)表现。本文将讨论返回路径的不连续性和EMC间的关系。

一条高质量的信道要求在驱动器到接收器间，有一条好的统一的路径，及一条连续回路。返回路径的断裂会引入噪声，这种断裂通常由以下原因引起：

• 改变沿信号路径的参考平面(s)
  
• 参考平面内的不连续性
  

图1给出了高频电流流动的两种模式。

图1：串模(上)和共模(下)的高频电流的流动。

串模：这是相对简单的模式。电流沿闭环回路流动，所以沿环路的总电流为零。该环路足够小/窄，所以入射电流的辐射被返回电流抵消。由微带或带状线构成的返回路径正好位于路径信号平面(s)的正上/下方。因此，当线段穿越平面间隙时，该条件就不再满足。

共模：噪声功率可通过两条途径“发功”——信号路径本身；返回路径(因缺乏合适、位置紧密的平面，类似于外壳这样的结构可形成返回路径)。流经信号路径的电流引致的噪声不会被附近的返回电流抵消，因此，可能会产生强辐射。物理尺寸更大的电路会“变身”为天线，因此可能会引发EMI及EMS(电磁易感性)问题。共模噪声源可能是在串模中提到的参考平面的不连续性。

图2是穿越地平面上槽隙的微带信号走线的模拟结果。驱动器在槽的左侧，以匹配阻抗同时连接信号路径和地平面。从驱动器流出的电流流至走线左端并返回地平面。由于槽隙的存在，地平面上的返回电流沿槽隙扩散，一部分电流流至电路板边缘。如图所示，不连续性问题会影响串模的电流流动。

图2：平面槽隙周边的返回电流(用Mentor的NimbicnWave建模)。

差分对及其电流

对更高频率的信号路径来说，会使用差分对。差分对同时传输信号本身及该信号的反相位信号，这样就可防范共模噪声或感应噪声。所有的串行解串型信号，如PCI Express或串行ATA，都使用差分对。

许多差分对使用80至100Ω的差分阻抗。由于差分信号是紧密耦合的，所以差分对对参考平面不连续的承受力要强得多。

我们来看这两类差分对：图3a中，其走线间的间距更窄、介电层更薄，其每条走线的阻抗是73Ω。图3b中，每条走线的阻抗约为50Ω。这两个电路都有100Ω的差分阻抗，但图3b，是走线间的耦合更强。图3a，则对参考面的耦合更强。典型设计会介于上述两种极端情况之间。

在(a)中，线路阻抗约73Ω；(b)中为50Ω。

图3：在(a)中，线路阻抗约73Ω；(b)中为50Ω。

图4显示的是流经线间距更宽的平面上差分对的电流。虽然路径是一差分对，但工作起来就像是两条分别流经相反方向电流的单端走线。

图4：流经间隙的差分对。

在平面间隙边缘的两端，因其失去平面参考路径，所以，返回电流耦合到路径(见图5)。

差分对具有对平面间隙的鲁棒性；然而，如图6所示，PCB上方5mm处测得的电场比窄间距走线的电场要强得多(见图7)。

如图7和图8所示，在间隙区域，存在强辐射(包括电场和磁场)，特别是在更宽线间距的例子中。

图5：参考平面上的返回电流耦合到走线(中间的蓝色和绿色箭头)。

图6：平面上方5mm处测得的电场。在中间可看到来自整个平面的显著场辐射。

图7：平面上方的电场比上图小得多，但在平面间隙可看到强辐射。

图8：差分对走线间距较小的例子。电流集中在两条走线。

差分对不应穿越其参考平面上的间隙或断裂处。但从前面的模拟中可见，即便穿越了，亦不致致命。这些种类的影响难以用带2D场解算器(field solver)的传统信号完整性(SI)模拟来识别。但可使用3D场解算器捕捉电流偏差和辐射效应。一旦完成对这些类结构的表征，在检查这些问题项时，查验整块板就比每次都将其再重新模拟一遍更有意义。可借助整板电气规则检查引擎自动化完成这种检测。图9给出了差分对穿越平面断裂的一个例子。在此例，断裂穿越似可完全避免，可容易地对布局进行修改，以规避这种穿越。

图9：使用规则以避免(或减少)穿越参考平面间隙的后果，图来自HyperLynx DRC。

总结

参考面总是信号传输路径的一部分。无论其是有意安置的紧邻信号走线的参考面，亦或类似设备机框那样的无意形成的返回路径，电流总会流经这些参考面。电流环路越紧凑，产生的EMI越小。3D场解算器可对这种现象进行模拟验证，但需要大量计算时间。消弭设计中返回通路不连续问题的更有效方法是使用规则检查工具来分析PCB的几何形状，这种方法可在几分钟内找到问题。除最佳实践和其它设计经验外，基于3D分析结果，也可生成这些规则。

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