對于用最佳終端匹配策略降低電磁輻射干擾的問題研究

為使產品達到EMI輻射標準，往往需要給系統增添一些復雜的濾波器、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相當復雜，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輻射常常被認為是“魔術”，因此我們常盲目地使用一些單憑經驗的解決辦法。然而那些單憑 經驗的解決辦法是根據以前的技術發展起來的，不一定適用于當今的設計實踐。不添加任何元器件往往不可能降低系統的輻射干擾，但如果仔細分析系統內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體耦合，從而引起了輻射。共模電流常由各種不同的設計缺陷而造成。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過設計的走線返回，但并非全部電流都會通過規定的走線返回，從而導致部分電流在那些從未想到的不該出現的地方出現了。線路板的布局設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高頻信號線路的布線經過信號通孔連接到線路板的不同層面時發生的。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。

雖然產生共模電流的原因多種多樣，并且很難預測，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機的線路板上的某處，有用的信號常常在無意中產生了搗亂的共模電流。因此有必要確認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，因為我們已經從根本上消除了原始信號源中那些沒用的產生干擾的諧波分量。

信號完整性工具

大多數高速PC機線路板在設計時都經過許多種不同的商業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，以確認在接收端的電壓波形是否符合電路正確運行必須達到的指標。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到要求。一旦電壓波形符合要求，分析工作也告結束。但這樣做會在不同的設計中使終端匹配電阻各不相同。一般情況下，設計人員并不進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，就認可了。但是終端匹配電阻值的選擇是否準確，確實能對電路布線路徑上有用的信號電流產生巨大的影響。

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，幾乎沒有什么商業軟件工具可以允許進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負載(即有等效電容負載)作為串聯的終端匹配電阻，則當電壓脈沖的上升或下降時刻，就會出現短暫的電流脈沖。而選用純電阻性的負載(有時候稱作直流并行負載)，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。回想一下網絡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絡傳播的能量，使其不產生反射。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，在線路中就不會產生反射。

然而，我們很難提供這種受約束的、純電阻的負載。若我們在線路的遠端用一個電阻接地(直流并聯接地)來做終端匹配，則一定會同時出現一個與電阻負載并聯的電容，這將會在某一些頻率上產生阻抗的不匹配。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據錯誤。但是這些反射經常會沿 著線路布線產生高頻駐波。這些駐波把線路布線變成了非常高效率的天線。我們的目標是把線路的終端匹配好，使得與想要傳輸的電壓/電流脈沖信號有關的任何高 次諧波都不會產生反射。對在遠端串連電容/電阻阻抗(交流并聯接地)的終端匹配進行類似分析的結果表明，終端阻抗不可能在所有頻率上與線路網絡的阻抗匹配。

使用串聯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，不需要配置遠端的終端匹配電阻，而且我們期望線路遠端會產生反射。我們把終端匹配電阻串連到電源附近的線路上，選擇恰當的匹配電阻值，使得電源阻抗與線路網絡阻抗正好匹配，這樣做就可以避免(由電源近端不匹配所產生的)二次反射。因為二次反射被終止了，駐波也就不會產生，因而就有可能降低EMI輻射。在下一節中的例子我們將可以看到，對線路網絡上的電流做仔細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生非常好的電壓波形，但是必須付出電