解析嵌入式系统串扰问题

引言

在嵌入式系统硬件设计中，串扰是硬件工程师必须面对的问题。特别是在高速数字电路中，由于信号沿时间短、布线密度大、信号完整性差，串扰的问题也就更为突出。设计者必须了解串扰产生的原理，并且在设计时应用恰当的方法，使串扰产生的负面影响降到最小。

1  串扰理论分析

串扰主要源自两个相邻导体之间所形成的互感与互容。在高速数字电路中，互感通常比互容的问题更严重。

1.1  互容

一个电路产生电场，该电场会影响第二个电路，这种相互影响的系数称为它们的互容。

式中，CM为互容，ΔV为驱动波形的阶跃幅度，TR是驱动波形的上升时间，RB是接收电路的接地阻抗。

由式1可知，互容串扰电压与CM、ΔV/TR 、成正比，因此，减小互容串扰电压的方法有：
　　
② 减小ΔV/TR。在确保信号时序的前提下，尽可能选择信号沿较缓的器件。

③ 减小RB。减小被干扰电路接地阻抗，对被干扰电路进行末端端接，为被干扰电路并接去耦电容。

1.2  互感

两个信号回路相互靠近时，一个信号回路的磁场变化将影响另一个信号回路，这种影响就是互感。互感的大小取决于信号回路的自感与两个信号回路耦合的程度。

 

式中，LM为互感，ΔV为驱动波形的阶跃幅度，TR是驱动波形的上升时间，RA是驱动电路的源端阻抗。

由式(2)可知，互感串扰电压与LM、ΔV/TR 成正比，与RA成反比。因此，减小互感串扰电压有如下方法。

（1）  减小LM

①  增大信号走线间距（因为LM随着间距平方的增加而下降，关键信号可采用3W原则）。

② 为信号提供完整的参考平面。在低速电路中，电流沿着电阻最小路径前进，而高速信号沿着电感最小路径前进。电感最小的返回路径就紧贴在一个信号导体下面，它使输出电流路径与返回电流路径之间的总回路面积最小，从而使输出电流路径与返回电流路径的干扰磁场相互抵消。

③ 减小信号到参考平面的距离，从而减小环路面积，达到减小LM的目的。

④ 尽可能地减小相邻信号间的平行长度。平行长度越短，则总的LM越小。

⑤ 无参考平面隔离的相邻信号层走线方向应该垂直，可减小磁场耦合程度。

⑥ 对串扰较敏感的信号线尽量布在内层，以减小磁场耦合程度。

（2）  减小ΔV/TR

在确保信号时序的前提下，尽可能选择信号沿较缓的器件。

（3）  增大RA

在干扰电路源端串接电阻，减小电流变化斜率，同时要兼顾与传输线阻抗匹配，避免信号反射。

1.3  近端串扰和远端串扰

 

图1  两条传输线的耦合

如图1所示，假设位于A点的驱动器是干扰源，而位于D点的接受器为被干扰对象，那么驱动器A所在的传输线被称为“干扰源网络”或“侵害网络(Agreessor)”，相应的接收器D所在的传输线网络被称为“静态网络”或“受害网络”。静态网络靠近干扰源一端的串扰称为“近端串扰”(也称后向串扰)，而远离干扰源一端的串扰称为“远端串扰”(也称前向串扰)。根据产生的原因不同，可将串扰分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。

受侵害线上近端和远端串扰噪声的波形可以通过图2得出。当一个数字脉冲上升沿进入传输线，它将不断地在受侵害线上感应出噪声，一部分串扰噪声将传向近端，另一部分将传向远端。远端串扰脉冲与侵害线上的信号经过时间TD(信号在传输线上的延迟时间)后同步到达终端。近端串扰脉冲将起始于侵害线上信号变化沿出现的时刻，而侵害信号到达终端前产生的最后一部分近端串扰信号将在t=2TD时刻才到达近端，这是因为这部分信号要经过整条传输线才能被传回近端。所以，近端串扰起始于t=0，并且持续2TD的时间。远端串扰起始于t=TD，持续时间为数字信号的上升或者下降时间。
 

 

图2  串扰噪声示意图

近端和远端传播的容性耦合电流都是正向的。具体的容性耦合如图3所示，图中的TP是干扰信号在传输线上的延迟时间，Tr是干扰信号的上升时间。

流向近端的感性耦合电流与近端容性耦合电流同向，流向远端的感性耦合电流与远端容性耦合电流反向。具体的感性耦合如图4所示。

 

图3  容性耦合的近端、远端串扰波形 

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图4感性耦合的近端、远端串扰波形

正常条件下，在一个完整平面上，感性和容性的串扰电压大小基本相等。远端的串扰分量（在D点的电压）相互抵消，近端的串扰分量（在C点的电压）相互增强。带状线电路具有很好的感性和容性耦合平衡性，因此其远端耦合系数极小；对于微带线路，与串扰相关的电场大部分穿过空气（而不是其他的绝缘材料），介电常数较小，因此容性串扰比感性串扰小，导致其远端串扰是一个小的负数。在开槽和其他不完整的参考平面上，感性耦合比容性耦合更大，使远端串扰变大。

1.4  串扰的反射

电压反射系数ρ的计算公式：

 

式中，RL是终端负载电阻，Z0是传输线特性阻抗。若RL =Z0，则ρ=0；若终端开路(RL=∞)，则ρ=1；若终端短路(RL=0)，则ρ=-1。在图1中，若近端阻抗与传输线特性阻抗不匹配，会使近端串扰在远端造成反射。为了消除近端串扰反射到远端，可以通过在近端接入正确的匹配电阻使ρ=0，消除反射。

2  串扰理论的应用实例

在工作实践中，笔者遇到了很多有关串扰的实际案例，通过运用上述分析的结论，均较好地得以解决。现将几个代表性问题的解决方法与大家分享。

2.1  增大信号走线间距

现象：Linux操作系统在加载过程中，出现偶然性意外错误而终止，系统提示访问了非法地址。

分析：操作系统从NAND Flash解压到SDRAM中并执行。SDRAM的CLK信号频率较高、沿斜率较大，本身就是一个干扰源。同时，由于CLK信号对于SDRAM时序控制的重要性，若受到周围信号的干扰，则可能影响SDRAM的正常读写。用示波器测试SDRAM的CLK信号，发现信号上偶尔会出现一些很小的干扰，但系统加载却正常了。经分析，这应与示波器探头自带的电容有关。尝试在CLK信号与地之间并接10 pF去耦电容，系统加载即正常。可见，CLK信号确实是受到了干扰，并接去耦电容正是将干扰滤除了一部分。

解决：由于SDRAM是高速器件，时序要求较高，CLK并接电容后，信号沿变缓，时序参数较为临界，通过增大信号走线间距的方法解决串扰问题更为合适。重新设计PCB时，将CLK与信号其他信号的中心距增大到3W（即3倍线宽），问题得以解决。

2.2  在信号源端串接电阻

现象：CPU通过总线外扩一个以太网芯片，但程序无法正常初始化该芯片，网络不通。

分析：用示波器测试“读”、“写”、“片选”、“数据”、“地址”等总线信号，发现这些信号上升、下降沿时间很短，信号过冲较严重，信号间距受空间所限无法增大，因此，总线信号间必然存在串扰问题。各总线信号既是干扰源，又是被干扰对象。在信号源端串接电阻有两个好处：作为干扰源，源端阻抗变大，电流变化率降低，与其他信号的互感耦合减小；作为被干扰对象，源端阻抗与传输线匹配，有利于吸收近端串扰，避免将近端串扰反射到远端。

解决：将总线信号源端串联电阻的阻值从10 Ω增大到50 Ω，重新运行程序，网卡芯片初始化正常，串扰问题解决。

2.3  为信号提供完整的参考平面

现象：CPU总线上增加点阵液晶设备，发现网口通信时网口1经常出现丢包现象，网口2甚至无*INK UP成功。

分析：系统主板为两层板，没有完整的信号参考平面，由于液晶连接线较长，使数据总线的长度增加，从而使串扰变得更加严重。网卡芯片与点阵液晶共用低8位数据总线与读、写控制信号，因此信号受到干扰、通信受到影响。

解决：重新设计PCB时，将2层板改为4层板，增加地层、电源层，为总线信号提供完整的参考平面，串扰减小。

2.4  减小被干扰电路接地阻抗

现象：SPI通信时，从SPI设备读回的数据不是期望的数据。

分析：用示波器测试SPI总线信号，发现CLK信号的上升沿、下降沿产生高频振荡，并两次跨过高、低门限电平。这将引起SPI数据的误触发，使CPU得到不正确的数据，因此需要滤除该高频干扰信号。

解决：在CLK信号与地之间并接1000 pF去耦电容，为高频干扰信号提供对地的低阻抗通道，干扰问题解决。

结语

串扰在高速电路设计中是一个不可忽视的问题，会影响系统的时序、降低噪声容限，导致系统无法正常工作。本文介绍了串扰产生的原理，通过对串扰电压的计算推导得到影响串扰的关键因素，根据这些因素提出一系列解决串扰问题的方法，并在实例中进行验证应用，对于解决串扰问题有一定的借鉴、指导意义。