PCB 串扰详解：成因、影响与有效对策
不得不面对现实：PCB 串扰是高速 PCB 设计工程师面临的巨大问题。如今板卡更紧凑，组装前分析串扰愈发关键。若不熟悉串扰概念，对抗起来颇棘手。本文讲解串扰是什么、预防要点及不同类型。
PCB 中的串扰是什么？
PCB 串扰是走线间的非预期能量耦合。导致一条走线的信号脉冲覆盖另一条走线，即使它们无物理接触。通常因平行走线间距不当。即使设计满足最小间距要求，仍可能不足以防止电磁耦合。
PCB 走线
设想两条平行走线：振幅较大者影响较小者，弱走线信号开始复制强信号而非传输自身。这就是串扰。互感导致电流从强走线转移到弱走线，互容产生的电容使电流相似，影响电路信号完整性。许多设计师认为串扰源于同层平行线，但也可发生在不同层相邻线。控制预防串扰棘手，尤其初期未检出时，会降级 PCB 功能。
串扰在 PCB 上如何发生？
手工检查 PCB
电路中串扰通常两种方式：共阻抗耦合或电磁耦合。共阻抗耦合易分析，仅当多信号共用回流路径时发生。电磁场耦合更复杂，分感性耦合和容性耦合两子类。
容性耦合
高速 PCB 平行走线是介质隔开的电容器并联板。强弱走线间电场即电容器。电容电压变化会改变电场产生位移电流，导致容性耦合电流，即寄生电容效应。
感性耦合
感性耦合取决于绕弱走线的强走线磁场环数。强走线磁场包围弱走线改变其传输电流。此时强走线按法拉第电磁感应定律感应电压，该感应电压以串扰形式传输电流。
宽边耦合
平行走线在相邻层靠近运行时发生。核心厚度薄(通常 0.1mm/4mil)分隔相邻信号层时更易发生，这对同层或相邻层两条走线间距远远不够。
串扰类型
串扰影响信号传输
按传播方向、测量区域、量化分类。详细看：
按传播方向分
正向串扰：弱走线沿强信号方向传输复制电流。反向串扰：复制信号反方向传输。公式：
按测量区域分
- 远端串扰 (FEXT)：弱走线接收端干扰
- 近端串扰 (NEXT)：弱走线驱动端噪声
单端或双导体均可发生，位置不限。
按量化分
- 功率和远端串扰 (PS-FEXT)：远端串扰绝对影响
- 功率和近端串扰 (PS-NEXT)：近端串扰相对影响
- 功率和等电平远端串扰 (PS-ELFEXT)：PS-NEXT 与 PS-FEXT 相加
异源串扰
比其他变体更复杂，难消除，屏蔽保护不足。不同信号共同破坏弱信号时发生。
什么导致串扰？
测量串扰
导致 PCB 串扰因素：
- 传播速度差异，可通过传播延迟和走线长度匹配缓解
- 数据率增加：高速板高上升沿，法拉第定律表明上升沿越高串扰越大
- 残留过孔：产生反射和振铃引发串扰
- 板尺寸：大板需长走线，长走线如天线引发串扰
如何减少 PCB 串扰
高速 PCB
高速 PCB 难完全避免串扰，但可降至无关紧要级别。方法：
1. 仅使用完整参考平面
完整参考平面吸收溢出磁场电场，防止扩散破坏其他信号。
2. 使用背钻过孔
带过孔 PCB
避免过孔存根，其损害信号完整性引发串扰。改用背钻过孔。
3. 检查并限制串扰
测量板级串扰确保不超 150mV。避免调整信号上升沿，会增加串扰超限。
4. 采用差分对走线
紧耦合差分走线减少串扰。因无等效耦合，差分对不接收共模噪声，缓解串扰。
5. 分离高频信号
钻研 PCB 的人
避免高频信号靠近其他信号，分离降低串扰几率。
6. 正确消除奇偶传输模式
用三电阻网络或 T 端消除奇偶传输模式。
7. 使用短走线
带走线 PCB
走线越长串扰几率越高。缩短走线减少耦合缓解串扰。
8. 分离异步信号
异步信号远离高频信号，靠近电源线放置降低串扰可能。
9. 减少平行走线长度
长走线(>500mil)增加互感引发串扰。
10. 使用保护走线
保护走线缓解传输线间串扰，但走线棘手且增加布线复杂度。
11. 使用正交走线
相邻信号层正交走线，减少层间容性耦合。
12. 保持走线分离
良好间距走线
用 3W 规则正确间隔所有走线。不遵守会增加互容导致串扰。3W 法则减少 70% 串扰。注：10W 规则可达 98% 减少。
结语
PCB
串扰是高速 PCB 不可避免的问题。无法从板上彻底消除，但可降至保障信号完整性和电路性能的水平。串扰源于平行或相邻走线非预期耦合，正确间隔走线可最小化耦合。减少串扰方法多样，请选适合电路设计的。有疑问请联系我们。
工业技术