在EMC 分析上使用信号完整性工具

一 介绍

大多数之高速印刷电路板设计，会让工程师使用某类之商用软件工具，或多或少的作一些信号完整性分析。工程师分析在电路板上的线路布线，以确保在接收端之电压波形能符合规格之定义，以使功能稳定。改变终端电阻之数值，或做些更激烈的变更，使得适当的电压波形能够传递到接收端。一旦此电压波形可以接受，则此分析就完成了。这样的结果，可能意味这很大范围的终端电阻数值都可以使用。而此一终端电阻之数值可能不是优化的，只要能够动作就可以了。然而，终端电阻之数值对于在布在线流动之意图电流影响是非常巨大的。

由EMC 辐射之观点来看，关心的不是电压波形而是电流波形。电压并不会直接辐射，但是电流会。因此分析电流波形会比分析电压波形来的有用。不幸的是，只有少数的商用软件工具能够分析意图电流。多做这一点点分析，所得的价值远远高过于花费的时间与金钱。事实上，有一些能够提供电流分析的商用工具软件还要比某些不包括此分析的软件来的便宜。

本章将会举一些例子，使用商用信号完整性工具来求得布在线的意图电流，更重要的是，得知这些电流的频谱。变更终端电阻之数值或是变更终端方式会对于意图电流之高频谐波成分产生很大的变动。通常，要产生一个可接受之电压波形并不一定需要较高频之谐波，此些高频谐波反而可能因为其他方面而造成辐射干扰问题。总结而论，如果没有产生此电流，就不会变成以某个方式，或是在某处造成辐射问题之共模电流。

二 意图电流频谱

造成EMI 辐射之主要原因是所谓的『共模common-mode』电流。基本上，共模电流就是存在于它们本不应该存在之地方的电流。共模电流可能会耦合到邻近的I/O 导线或是其他离开屏蔽机壳的导体，因此造成辐射干扰。

有一些次佳的设计可能会导致共模电流，如前面几章所述。在PC 板上之所有布线，都应该要让其回返电流直接在其下方之参考平面(接地平面或是电源平面)流回。如第六及第七章所说的，并非所有的回返电流都能直接从布线下方流回去。

回返电流会在平面上散开，以试着更尽可能的降低回返路径上之电感。当大多数的回返电流局限在布线之下方，而非所有的电流，造成了有些电流会出现在不该出现的地方。

通常，电路板的布局并非是对高速信号优化的设计。例如说，当一条高速频率布线走线在参考平面的裂口之上(电源平面分割出来以容纳多种DC 电压供应)，回返电流必须要去寻找其他之路径以回到其源头。即使我们使用了一个电容器跨接在靠近其横越处，此电容所增加之电感、增加之贯穿孔、焊垫等等，都会让回返电流之高频成分无法那么靠近到信号布线。

另一个一般会发生的问题是，当高频信号布线经过贯穿孔并且变换参考平面时。回返电流必须要由一个平面到另一个平面(可能是经由一个去耦合电容，及其贯穿孔，额外的电感等等)，通常它有可能会流经一个无法预测的路径以回到其源头。

共模电流得起因有很多种，常常很难去预测，但确定的是所有的共模电流都是来自于意图(intentional)电流。也就是说，在PC 板的某个位置，有一个意图(intentional)信号『无意间的(unintentionally)』造成了共模电流。因此我们有必要确保将意图信号都已经好好控制，使得只有必须要有的谐波存在，而将不必要的谐波都消除了。在I/O 埠上增加滤波器，以防止将根本不需要的高频谐波带到外部导线上，这方式反而是更昂贵的。

选择一个个人计算机的主板来解释此一观念。我们来分析一个133MHz 之频率网路。使用适当的IBIS 模型来代表驱动器以及接收器。来源端使用串联电阻终端。此一终端电阻之默认值为22Ω。针对10Ω到39Ω(典型值)之终端电阻范围，分析在接收端(5V 逻辑族)之电压波形。图1 显示出变更终端电阻对电压波形产生之影响。当电阻值增加时，脉冲振幅之某些地方降低并且上升时间拉长，针对这些之波形，需要做信号完整性分析以确保系统之操作稳定。



此一分析之目的在于降低辐射干扰，故同时也分析在接收端布在线之电流。图2 显示出针对不同终端电阻值之电流波形。很明显的，10Ω电阻会比其他的数值造成更大的电流。深入的分析显示22 与25Ω同时还会具有其他较大电阻值没有之额外特性。