對于用最佳終端匹配策略降低電磁輻射干擾的問題研究

為使產(chǎn)品達(dá)到EMI輻射標(biāo)準(zhǔn)，往往需要給系統(tǒng)增添一些復(fù)雜的濾波器、屏蔽密封材料和其他一些昂貴的元器件。由于電磁相互作用的本質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，因而確定EMI輻射究竟是從什么地方泄漏出去的非常困難，所以降低EMI輻射常常被認(rèn)為是“魔術(shù)”，因此我們常盲目地使用一些單憑經(jīng)驗的解決辦法。然而那些單憑 經(jīng)驗的解決辦法是根據(jù)以前的技術(shù)發(fā)展起來的，不一定適用于當(dāng)今的設(shè)計實踐。不添加任何元器件往往不可能降低系統(tǒng)的輻射干擾，但如果仔細(xì)分析系統(tǒng)內(nèi)部某些值得注意的信號，就可以減少需要添加的元器件，從而降低系統(tǒng)的制造成本。

共模電流和EMI輻射

EMI輻射主要由共模電流引起。所謂共模電流主要是指那些在意料不到的地點所出現(xiàn)的電流。共模電流與附近的輸入/輸出電纜或其他沒有很好屏蔽的導(dǎo)體耦合，從而引起了輻射。共模電流常由各種不同的設(shè)計缺陷而造成。PC線路板上的走線路徑(traces)是為了讓所有返回的電流通過線路板的參考平面(通常是電源平面或者地平面)中的走線路徑直接返回。然而并非所有的返回電流都能夠直接經(jīng)過信號走線返回。因為試圖找到電感最小的返回路徑，返回的電流會蔓延到整個平面上。大部分返回電流將經(jīng)過設(shè)計的走線返回，但并非全部電流都會通過規(guī)定的走線返回，從而導(dǎo)致部分電流在那些從未想到的不該出現(xiàn)的地方出現(xiàn)了。線路板的布局設(shè)計對高速信號來說常常不是最佳的。例如高速時鐘的布線路徑越過線路板參考平面的斷面(如電源平面中的連接不同直流電源的供電線路部分)時，返回電流一定會找到某些其他的路徑流回電源。即使在越過電源平面的裂口處放上電容器，由于電容器、必要的通孔、襯墊等的附加電感，也會使返回電流中的高頻率成分不僅僅局限于信號布線的走線中。

另外一個常見的問題是當(dāng)高頻信號線路的布線經(jīng)過信號通孔連接到線路板的不同層面時發(fā)生的。此時返回電流一定會越過一個層面流到另外一個層面(可能通過電容耦合、附加電感、通孔等)，電流返回電源的路徑常常出人意料。

雖然產(chǎn)生共模電流的原因多種多樣，并且很難預(yù)測，但是所有的共模電流都來自有意義的信號電流，這一點是100%正確的。這就是說，在PC機(jī)的線路板上的某處，有用的信號常常在無意中產(chǎn)生了搗亂的共模電流。因此有必要確認(rèn)那些有用信號的必要諧波分量確實在我們的控制中，而那些沒有用處的諧波分量已被我們清除掉了。因此在輸入/輸出端口添加濾波器或者在屏蔽封裝中添加襯墊來阻止從現(xiàn)有的屏蔽封裝中泄漏出來的高頻諧波分量，已沒有任何意義，因為我們已經(jīng)從根本上消除了原始信號源中那些沒用的產(chǎn)生干擾的諧波分量。

信號完整性工具

大多數(shù)高速PC機(jī)線路板在設(shè)計時都經(jīng)過許多種不同的商業(yè)信號完整性分析軟件工具的檢驗。工程師們用信號完整性分析工具，核查線路板的布局布線，以確認(rèn)在接收端的電壓波形是否符合電路正確運行必須達(dá)到的指標(biāo)。有時終端匹配電阻需要修改，有時甚至電路需要做更大的修改，才能使接收端的波形達(dá)到要求。一旦電壓波形符合要求，分析工作也告結(jié)束。但這樣做會在不同的設(shè)計中使終端匹配電阻各不相同。一般情況下，設(shè)計人員并不進(jìn)行定量分析以決定終端匹配電阻的最佳值，只要終端匹配電阻起作用，就認(rèn)可了。但是終端匹配電阻值的選擇是否準(zhǔn)確，確實能對電路布線路徑上有用的信號電流產(chǎn)生巨大的影響。

正象以前提到的那樣，所有共模電流都來自有用的信號電流。因此分析電路走線上的電流和電壓波形都是有用的。但是很遺憾，幾乎沒有什么商業(yè)軟件工具可以允許進(jìn)行有實際意義的電流分析。但HyperLynx 公司軟件的BoardSim/LineSim工具可以進(jìn)行這項分析，該仿真工具是最早可以買到的電流分析工具之一。本論文中所有的例子都是采用 BoardSim/LineSim工具，分析具體的PC機(jī)線路板而得到的。終端策略和EMI輻射

正如前面提到的那樣，電磁兼容性(EMC)應(yīng)用中的電流分析是很重要的。選擇不同的終端匹配電阻，電流幅度和波形將有顯著的不同。例如，若選用 CMOS負(fù)載(即有等效電容負(fù)載)作為串聯(lián)的終端匹配電阻，則當(dāng)電壓脈沖的上升或下降時刻，就會出現(xiàn)短暫的電流脈沖。而選用純電阻性的負(fù)載(有時候稱作直流并行負(fù)載)，則電流波形與電壓波形看起來很一致。自然，這兩種不同電流波形的頻譜是非常不同的。回想一下網(wǎng)絡(luò)終端匹配的目的是很有用的，一般說來，終端 匹配的目的是吸收沿著線路網(wǎng)絡(luò)傳播的能量，使其不產(chǎn)生反射。例如，在理想的情況下，50歐姆的電路走線其終端匹配電阻應(yīng)該選用50歐姆的電阻，若選用該電 阻做終端匹配電阻，在線路中就不會產(chǎn)生反射。

然而，我們很難提供這種受約束的、純電阻的負(fù)載。若我們在線路的遠(yuǎn)端用一個電阻接地(直流并聯(lián)接地)來做終端匹配，則一定會同時出現(xiàn)一個與電阻負(fù)載并聯(lián)的電容，這將會在某一些頻率上產(chǎn)生阻抗的不匹配。這種阻抗的不匹配將會引起反射。這些反射有可能引起用電壓脈沖表示的數(shù)據(jù)錯誤。但是這些反射經(jīng)常會沿 著線路布線產(chǎn)生高頻駐波。這些駐波把線路布線變成了非常高效率的天線。我們的目標(biāo)是把線路的終端匹配好，使得與想要傳輸?shù)碾妷?電流脈沖信號有關(guān)的任何高 次諧波都不會產(chǎn)生反射。對在遠(yuǎn)端串連電容/電阻阻抗(交流并聯(lián)接地)的終端匹配進(jìn)行類似分析的結(jié)果表明，終端阻抗不可能在所有頻率上與線路網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配。

使用串聯(lián)電源端終端匹配方法(series-source termination)是另一種替代辦法。在這個方法中，不需要配置遠(yuǎn)端的終端匹配電阻，而且我們期望線路遠(yuǎn)端會產(chǎn)生反射。我們把終端匹配電阻串連到電源附近的線路上，選擇恰當(dāng)?shù)钠ヅ潆娮柚?，使得電源阻抗與線路網(wǎng)絡(luò)阻抗正好匹配，這樣做就可以避免(由電源近端不匹配所產(chǎn)生的)二次反射。因為二次反射被終止了，駐波也就不會產(chǎn)生，因而就有可能降低EMI輻射。在下一節(jié)中的例子我們將可以看到，對線路網(wǎng)絡(luò)上的電流做仔細(xì)的分析也是很重要的。

采用二極管做終端匹配阻抗雖然看起來可以產(chǎn)生非常好的電壓波形，但是必須付出電