蛇形防护布线设计

陈孔前

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

蛇形防护布线设计

陈孔前

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

摘要高速电路中蛇形线可作为传统防护布线的替代方案，但其提出过程未曾考虑如何进行合理的设计。文中基于蛇形防护布线的外形特征影响耦合参数的原理，通过全波求解器建立蛇形防护布线模型，分析了其端接策略以及特征变化对应的远端串扰变化规律，得出了蛇形防护布线的合理设计方法。结果表明，短路策略作为最佳策略，且在信号边沿变化较快的情况下，应采用线宽小、高度高和长度短的蛇形线作为防护布线。

关键词防护布线；蛇形线；远端串扰

随着现代电路板向更高速率、更高密度和更低电压的趋势发展，信号完整性问题逐渐称为关注的焦点。在频率较低的应用中，只需将电路板上的器件连通并不损坏器件的封装，就能够保证系统的正常运行，但当工作频率达到100 MHz后，系统中的互连线对信号变得不再透明，会引发多种信号完整性问题，串扰正是其中之一。串扰的形成源于相邻互连线之间的电磁耦合，相邻互连线的等效模型如图1所示，驱动器驱动的互连线通常称为攻击线(Aggressor)，相邻的互连线称为受害线(Victim)。攻击线在信号边沿跳变时会通过它们之间的互容CM和互感LM在受害线上分别产生容性耦合电流和感性耦合电流。两种耦合电流均会向受害线的两个方向传播，进而产生传播向近端的后向电压噪声和传播向远端的前向电压噪声。于是在受害线的近端和远端能分别感受到电压噪声，即近端串扰和远端串扰。对于受害线的接收端而言，耦合的远端串扰噪声会使受害线上的原始信号发生畸变，造成接收端的判别错误以及系统的不稳定。

图1　相邻互连线间电路等效模型

虽然增加线间距可以同时减少相邻互连线间的互容和互感，以此达到同时减少近端串扰噪声和远端串扰噪声的效果，但对于如今高速电路板的高密度和小尺寸趋势，增加线间距的方法在实际PCB设计中受到了诸多限制。防护布线作为显著减少串扰的重要方式，但有在合理设计和端接的情况下才能达到显著地串扰抑制效果，否则防护布线会成为一个潜在的噪声源，加强对受害线的干扰[1-2]。通常，防护布线的设计中要求短路过孔数量与上升时间的空间延伸有关，但随着芯片工作速率的不断提高，防护布线上的短路过孔数量越来越多，更多的通孔限制了多层板背面的布线空间。文献[3～4]从远端串扰与模态速度的角度出发，应用蛇形线替代传统的防护布线，不用大量的过孔就能使串扰抑制效果大幅提高，并通过实验实测证明了该方法可降低44%远端串扰电压峰值和40%的时序抖动。然而蛇形线具有自身特征，如何利用其特征引起的串扰变化规律并设计出远端串扰抑制效果较佳的蛇形防护布线是本文研究的重点。

1蛇形线特征

蛇形线早已在实际PCB设计中广泛应用，其主要应用是为了调节信号的时序，故意延长信号的传输时延，让一组信号能够同步抵达接收端，保证它们时序的一致，避免信号相位错位，以使数字信号被接收端准确接收并判别。对于小尺寸设计来说，蛇形走线还能在更小的空间内完成更长数据线的既定目标[5]。然而，蛇形线本身会对信号的传输造成影响[6]，引发信号完整性问题。当蛇形线作为防护布线时，结构如图2所示，蛇形线本身特征变化将改变耦合参数，进而引起串扰噪声变化。

图2　蛇形防护布线

其中，Ws为蛇形线宽度；Hs为蛇形线高度；Ls为蛇形线长度；此三者均为蛇形线特征，共同决定了蛇形线的物理结构；W表示互连线线宽；S1表示防护布线与互连线的最小线间距；S2表示防护布线与互连线的最大线间距，此三者之和为3倍线宽；H表示FR4材料厚度；t表示铜厚；Len表示互连线耦合长度。

蛇形线由平行于信号原本传输方向的平行区域和垂直于信号原本传输方向的垂直区域组成，然而当蛇形线作为防护布线时，其垂直区域并不存在磁场耦合，那么蛇形防护布线的存在相比传统防护布线仅增加了攻击线与受害线之间的互容，从而减少了受害线上的远端串扰噪声。即使对于非平行的耦合互连线而言，非平行部分减少蛇形线长度也能有效减少远端串扰噪声[7]。

蛇形线宽度、高度和长度的变化均会改变蛇形防护布线的物理结构，从而在一定程度上影响受害线上远端串扰噪声。

2实验分析

全波电磁求解器[8]建立如图2所示模型，并采用介电常数为4.4的FR4材料作为介质材料。假设互连线宽为10 mil(1 mil=0.025 4 mm)，耦合长度为1 in(1 in=25.4 mm)，攻击线与受害线之间的间距为3 W，即30 mil。依次单独变化蛇形线宽度、高度和长度，并观测远端串扰噪声曲线对应的变化规律。

图3给出了在保持蛇形线高度和长度不变的条件下，蛇形线线宽Ws分别为4 mil、6 mil和8 mil时对应的远端串扰噪声曲线。从中可知，频率在1 GHz以下时，远端串扰噪声不随蛇形线宽度发生变化。而当频率高于1 GHz后，随着蛇形线宽的增加，远端串扰噪声越来越大，这就意味着更小的线宽能带来更佳的远端串扰抑制效果。

图3　蛇形防护布线线宽与远端串扰关系曲线

图4给出了在保持蛇形线宽度和长度不变的条件下，蛇形线高度Hs分别为16 mil、20 mil和24 mil时对应的远端串扰噪声曲线。从中可知，在1 GHz以下时，远端串扰噪声不随蛇形线高度发生变化。而当频率高于1 GHz后，随着蛇形线高度的增加，远端串扰噪声越来越小，这就意味着更高的蛇形线线高能够带来更好的远端串扰抑制效果。

图4　蛇形防护布线高度与远端串扰关系曲线

图5给出了在保持蛇形线宽度和高度不变的条件下，蛇形线长度Ls分别为50 mil、100 mil和125 mil时对应的远端串扰噪声曲线。从中可知，在1 GHz以下时，远端串扰噪声不随蛇形线长度发生变化。而当频率高于1 GHz后，忽略考虑3～4 GHz上蛇形线长度为125 mil时发生的谐振，那么随着蛇形线长度的增加，远端串扰噪声曲线整体表现越来越大，这就意味着更短的蛇形线长度能够提供蛇形防护布线更好的串扰抑制效果。

图5　蛇形防护布线长度与远端串扰关系曲线

传统防护布线存在3种端接策略：开路，匹配和短路。对于蛇形防护布线而言，也存在3种端接策略，图6给出了不同端接策略下蛇形防护布线的串扰抑制效果。蛇形防护布线与传统防护布线相同，均在短路的端接策略下才能发挥防护布线的最大串扰抑制效果，这是由于短路策略的防护布线使得防护布线上的后向电压在短路处发生的负反射，并不断与向近端传播的后向电压相抵消，从而减少了防护布线上的噪声。

图6　蛇形防护布线端接策略对比

综上所述，短路策略始终作为蛇形防护布线的最佳策略，当信号边沿变化较慢时，不用注重蛇形防护布线的具体设计，设计均能达到相同的串扰抑制效果；但当信号边沿变化较快时，为使蛇形防护布线达到更优的远端串扰抑制效果，应采用线宽小、高度高和长度短的蛇形线。

3结束语

面对高速电路的发展趋势，传统的防护布线限制越来越多，蛇形防护布线曾被提出作为传统防护布线的完美解决方案。本文基于蛇形线的基本特征，研究蛇形防护布线的合理设计方案。短路作为蛇形防护布线的最佳端接策略，且在信号边沿变化较低的情况下，蛇形防护布线的设计不用刻意考虑，而在信号边沿变化较快的情况下，应采用线宽小、高度高和长度短的蛇形线。

参考文献

[1]Bogatin E.信号完整性分析[M]. 李玉山,译.北京：电子工业出版社, 2003.

[2]Kayano Y, Tanaka M,Drewniak J L, et al. Common-mode current due to a trace near a PCB edge and its suppression by a guard band[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(1):46-53.

[3]Lee K,Lee H B,Jung H K, et al. A serpentine guard trace to reduce the far-end crosstalk voltage and the crosstalk induced timing jitter of parallel microstrip lines[J]. IEEE Transcations on Advanced Packaging, 2008,31(4):809-817.

[4]Lee K,Lee H B,Jung H K, et al. Serpentine guard trace to reduce far-end crosstalk and even-odd mode velocity mismatch of microstrip lines by more than 40%[C]. Reno, NV: Electronic Components and Technology Conference, 2007.

[5]倪涛. 高速数字电路信号完整性分析与仿真[D].西安:西安电子科技大学, 2010.

[6]邹国平,崔翔,魏兴昌.高速电路电源/地层间阻抗参数计算与分析[J].电波科学学报,2011, 26(2):394-399.

[7]虞菊花,曹群生,Y inchao Chen. 蛇形防护线降低非平行传输线中串扰的研究[J]. 微波学报, 2010, 26(6):78-80.

[8]Ansoft Corporation. HFSS full book[M]. USA: Ansoft Corporation, 2005.

Serpentine Guard Trace Design Research

CHEN Kongqian

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

AbstractSerpentine guard trace is regarded as an alternative solution to traditional guard trace in high-speed circuit, but process of proposing serpentine guard trace don’t consider how to make the ability of crosstalk suppression better. According to the principle that serpentine guard trace basic characteristic affects coupling parameters, this paper analyses termination strategies and far-end noise variation with characteristic variation via full wave solver simulation, and concludes reasonable serpentine guard trace design method. The result shows that shorting is the best termination strategy, and when signal edge changes quickly, the serpentine that are width, height and short should be used as guard trace.

Keywordsguard trace；serpentine；far-end crosstalk

收稿日期:2015-11-03

作者简介:陈孔前(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：信号完整性。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.026

中图分类号TN710

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-089-03