PCB设计中的串扰分析

上海交通大学电子工程系 王 佶

1.引言

串扰在电子学上是指两条信号线之间的耦合现象。电容性耦合会引发耦合电流，而电感性耦合则引发耦合电压。根据麦克斯韦定律，只要有电流的存在，就会有磁场存在，磁场之间的干扰就是串扰的来源。

2.串扰的危害

接下来，我们以一块板卡中出现的数据丢包问题，来说明串扰对信号品质的影响，以及对整个电路系统的危害。笔者遇到过一块板卡，在常温下数据传输是正常的，高低温的时候，出现了数据丢包的现象，查看发生数据丢包的差分信号线的眼图，发现丢包数据线的眼图很差，如图1所示：

图1 发生丢包的数据线对应的眼图

为了查找数据丢包的原因，用Sigrity PowerSI软件对丢包的数据线Lane3，提取了其插损、回损、串扰、ICR（Insertion to crosstalk ratio），参照IEEE802.3ap标准，将提取出来的参数和IEEE802.3ap标准中规定的最低限进行比对，以期能找到数据丢包的原因。

2.1 IEEE802.3ap标准

IEEE802.3ap标准中，关于ICR的计算如下：

IEEE802.3ap标准中，关于crosstalk的计算见式7，其中PSFEXT是NEXT和FEXT的功率之和。

2.2 仿真准备

此板卡的PCB为20层，所用PCB材料为MEGTRON4，介电常数3.9。

2.3 仿真过程和结果

我们找到离Lane3最近的同层信号线、相邻层信号线、换层过孔，作为干扰源，一共找了10条信号线，这10条信号线加上Lane3本身的两条信号线，总共有12条信号线，将其设为24个port。在Sigrity中提取这些干扰源对Lane3中的差分信号线中N/P各自的串扰，导出S24P参数，将其导入到ADS中，然后利用ADS中的合并功能，合并出这些干扰源各自对Lan3中差分对的串扰（不是对N/P单独的干扰，而是对N/P组成的差分对的串扰）。

再结合IEEE802.3ap标准中的公式，在excel中设计公式，计算出Lane3的插损、串扰、ICR，并与IEEE802.3ap中对插损、串扰、ICR规定的最低限进行比对，比对结果见图2、3、4：

图2 S12（红色为IEEE802.3ap标准中规定的最低限；蓝色为实际的S12）

图3 Crosstalk

图4 ICR(Insertion to crosstalk ratio)

从图2、3、4中可以看出，发生数据丢包的Lane3，其S参数，是能满足IEEE802.3中的相关标准的，说明信号线本身的品质是不错的，但是其串扰和ICR比较差，说明其同层和相邻层的信号线，对它的串扰比较大，从而导致的眼图张不开，进而出现数据丢包的现象。

2.4 解决办法

减小串扰的方法有以下几种：(1)增加信号路径之间的间距；(2)用平面作为返回路径；(3)使耦合长度尽量短；(4)在带状线层布线；(5)减小信号路径的特性阻抗；(6)使用介电常数较低的叠层；(7)在封装和接插件中不要共用返回引脚；(8)使用两端和整条线上有短路过孔的防护布线。

针对这块板卡的实际情况，采取了以下的措施：(1)加大Lane3与同层信号线、过孔、shape的距离，让距离大于其4倍的线宽。(2)Lane3位于第13层，跟第14层的信号线有重合的情况，为了减小其相邻层的耦合，在L13和L14之间加一个GND层，为了保持总层数为偶数，在L10和L11之间也加一个GND层，以保持其对称性。

对改善之后的Lane3进行仿真，其ICR和Crosstalk得到显著改善，完成PCB打板和贴片后，对PCB进行实际量测，其眼图明显改善，且高低温的时候也不丢包，可见，此次丢包正是由于串扰而引起的。

图5 做了抗串扰处理后的Lane3眼图

3.结束语

本文先阐述了串扰的概念，和PCB中串扰产生的机理。其次，结合工程实践中，一块板卡中出现的数据丢包现象，说明串扰对信号品质的危害和对整个电路功能高品质实现的危害。最后，结合既往设计经验，同时参照IEEE802.3ap标准，提出了减小串扰的方法，并据此方法进行改版，对改版后的PCB测量其眼图，并做高低温测试，发现眼图效果良好，且数据能正常传输，未发生丢包，故而证明文中提出的方法是可行的。

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