用最佳终端匹配策略降低电磁辐射的干扰

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用最佳终端匹配策略降低电磁辐射的干扰

为使产品达到EMI辐射标准，往往需要给系统增添一些复杂的滤波器、屏蔽密封材料和其他一些昂贵的元器件。由于电磁相互作用的本质相当复杂，因而确定EMI辐射究竟是从什么地方泄漏出去的非常困难，所以降低EMI辐射常常被认为是“魔术”，因此我们常盲目地使用一些单凭经验的解决办法。然而那些单凭经验的解决办法是根据以前的技术发展起来的，不一定适用于当今的设计实践。不添加任何元器件往往不可能降低系统的辐射干扰，但如果仔细分析系统内部某些值得注意的信号，就可以减少需要添加的元器件，从而降低系统的制造成本。
　　共模电流和EMI辐射
　　EMI辐射主要由共模电流引起。所谓共模电流主要是指那些在意料不到的地点所出现的电流。共模电流与附近的输入/输出电缆或其他没有很好屏蔽的导体耦合，从而引起了辐射。共模电流常由各种不同的设计缺陷而造成。PC线路板上的走线路径（trace）是为了让所有返回的电流通过线路板的参考平面（通常是电源平面或者地平面）中的走线路径直接返回。 然而并非所有的返回电流都能够直接经过信号走线返回。因为试图找到电感最小的返回路径，返回的电流会蔓延到整个平面上。大部分返回电流将经过设计的走线返回，但并非全部电流都会通过规定的走线返回，从而导致部分电流在那些从未想到的不该出现的地方出现了。线路板的布局设计对高速信号来说常常不是最佳的。例如高速时钟的布线路径越过线路板参考平面的断面（如电源平面中的连接不同直流电源的供电线路部分）时，返回电流一定会找到某些其他的路径流回电源。即使在越过电源平面的裂口处放上电容器，由于电容器、必要的通孔、衬垫等的附加电感，也会使返回电流中的高频率成分不仅仅局限于信号布线的走线中。
　　另外一个常见的问题是当高频信号线路的布线经过信号通孔连接到线路板的不同层面时发生的。此时返回电流一定会越过一个层面流到另外一个层面（可能通过电容耦合、附加电感、通孔等），电流返回电源的路径常常出人意料。
　　虽然产生共模电流的原因多种多样，并且很难预测，但是所有的共模电流都来自有意义的信号电流，这一点是100%正确的。这就是说，在PC机的线路板上的某处，有用的信号常常在无意中产生了捣乱的共模电流。因此有必要确认那些有用信号的必要谐波分量确实在我们的控制中，而那些没有用处的谐波分量已被我们清除掉了。因此在输入/输出端口添加滤波器或者在屏蔽封装中添加衬垫来阻止从现有的屏蔽封装中泄漏出来的高频谐波分量，已没有任何意义，因为我们已经从根本上消除了原始信号源中那些没用的产生干扰的谐波分量。

　　信号完整性工具
　　大多数高速PC机线路板在设计时都经过许多种不同的商业信号完整性分析软件工具的检验。工程师们用信号完整性分析工具，核查线路板的布局布线，以确认在接收端的电压波形是否符合电路正确运行必须达到的指标。有时终端匹配电阻需要修改，有时甚至电路需要做更大的修改，才能使接收端的波形达到要求。一旦电压波形符合要求，分析工作也告结束。但这样做会在不同的设计中使终端匹配电阻各不相同。一般情况下，设计人员并不进行定量分析以决定终端匹配电阻的最佳值，只要终端匹配电阻起作用就认可了。但是终端匹配电阻值的选择是否准确，确实能对电路布线路径上有用的信号电流产生巨大的影响。
　　正象以前提到的那样，所有共模电流都来自有用的信号电流。因此分析电路走线上的电流和电压波形都是有用的。但是很遗憾，几乎没有什么商业软件工具可以允许进行有实际意义的电流分析。但HyperLynx软件的 BoardSim/LineSim工具可以进行这项分析，该仿真工具是最早可以买到的电流分析工具之一。本论文中所有的例子都是采用BoardSim/LineSim工具，分析具体的PC机线路板而得到的。

　　终端策略和EMI辐射
　　正象前面提到的那样，电磁兼容性（EMC）应用中的电流分析是很重要的。选择不同的终端匹配电阻，电流幅度和波形将有显著的不同。例如，若选用CMOS负载（即等效电容负载）作为串联的终端匹配电阻，则当电压脉冲的上升或下降时刻，就会出现短暂的电流脉冲。而选用纯电阻性的负载（有时候称作直流并行负载），则电流波形与电压波形看起来很一致。自然，这两种不同电流波形的频谱非常不同。