電路設計 - 高速PCB設計蛇形線的原因是什麼？

蛇形線很常見，有很多用途，而延遲補償（定時等距）在傳統設計中應用最廣泛； 通過纏繞電線來控制佈線的長度、控制電線的寬度、纏繞電線的間距，稱為蛇形對齊。

在完成檢查工作之前，在解釋PCB佈線之前，我將首先向您介紹PCB設計的三種特殊佈線科技。

PCB佈局線將從三個方面進行解釋：直角線、差分佈線和蛇形線：

直角線（三個方面）。 直角線對訊號的影響主要體現在三個方面：第一，角度可以相當於傳輸線上的電容性負載，從而減緩上升時間；第二，阻抗的不連續性會導致訊號反射；第三，EMI產生的直角尖端，超過了10GHz射頻設計領域，這些小的直角可能成為高速問題的焦點。

差動接線（“等長、等距、基準面”）。 什麼是差分訊號（differential signal）？ 在流行術語中，驅動器發送兩個等效的反相訊號，接收器通過比較兩個電壓之間的差來確定邏輯狀態“0”或“1”。 這對傳輸差分訊號的導線稱為差分導線。

與普通單端訊號佈線相比，差分訊號最明顯的優勢在於以下三個方面：

1）抗干擾能力强，因為兩條差分線之間的耦合非常好。 當有來自外部的雜訊干擾時，它們幾乎同時耦合到兩條線路上，接收端只注意兩個訊號之間的差异，囙此可以完全消除外部共模雜訊。

2）它可以有效地抑制EMI。 出於同樣的原因，由於兩個訊號的極性，它們的外部輻射電磁場可以相互抵消。 耦合越緊密，釋放到外界的電磁能就越少。

3）精確的定時定位，因為差分訊號開關的變化位於兩個訊號的交點處，不同於普通單端訊號依賴高低閾值電壓判斷，囙此通過這個過程，溫度影響小，可以减少定時誤差，也更適合低幅度訊號電路。

現時流行的LVDS（低壓差分訊號）就是指這種小振幅差分訊號科技。

3.蛇形線（調整延遲）。 蛇形線是佈局中常用的一種佈線方法。 其主要目的是調整延遲以滿足系統時序設計要求。 這兩個參數中最關鍵的是平行耦合長度（Lp）和耦合距離（S）。 顯然，當訊號在蛇形線上傳輸時，在差分模式下，平行線段之間會存在耦合，S越小，Lp越大，耦合程度越大。 這可能會導致傳輸延遲的减少，並大大降低串擾引起的訊號質量。 該機制可參攷共模和差模串擾的分析。

蛇形線的應用不同，它的作用也不同，大致有以下幾個主要作用：

調整延遲以滿足時間要求

由於高速電路設計，部分訊號傳送速率非常快，囙此不同長度線路的訊號傳輸時間（即延遲）會不同。

如果訊號不同時到達，這可能會導致數據錯誤或系統不穩定。

顯然，蛇形可以用來新增特定線條的長度，並且可以根據設計要求精確控制蛇形的長度和形狀。 通過調整蛇形管中的彎曲程度和數量，佈局工程師可以準確地新增或减少線路的長度，以匹配其他關鍵路徑的延遲，使整個電路中的關鍵路徑具有相同的延遲，以滿足系統的時序設計要求。

减少電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）

蛇形排列的蜿蜒形狀可以將原本集中在一個區域的輻射能傳播到更大的區域，這有助於降低特定區域的輻射强度，從而减少對周圍環境的干擾。

同時，更重要的是，當兩個相鄰的蛇形線路同時以相等的尺寸、相反的電流方向排列時，它們產生的磁場會相互抵消，從而减少電磁輻射，减少對其他電路或設備的干擾。

當然，在高密度電路設計中，不同訊號線之間可能存在串擾和耦合。 蛇形佈線可以通過改變線路的形狀和佈局來减少訊號線之間的物理接近，從而减少訊號之間的串擾和耦合效應。

阻抗匹配

阻抗匹配在某些電路中是一個重要的設計考慮因素，例如射頻（RF）電路或高速資料傳輸電路。

蛇形佈線，以及調整導線的寬度和銅箔的厚度，可用於調整線路的阻抗，以匹配電源和負載之間的阻抗，從而减少反射和損耗，提高訊號傳輸效率。

高頻抑制

蛇形排列相當於一個簡單的電感線圈，由於電磁感應原理，它可以抑制一些高頻訊號。

缺點

蛇形線會使佈線變得複雜，需要大量的計算和優化，這新增了設計和製造的難度，並可能導致額外的成本和時間開銷。

同時，訊號質量降低，這可能會改變訊號的傳輸質量。 由於訊號線在蛇形排列中的彎曲和蜿蜒，訊號在傳輸過程中可能會受到更多的損耗和干擾，導致訊號質量下降，如訊號失真和雜訊新增。

以下是佈局工程師處理蛇形線的一些建議：

1）使平行段的距離（S）最大化，至少大於3h，其中h是指訊號線到參攷平面的距離。 繞過大彎線很受歡迎。 只要s足够大，幾乎可以完全避免彼此之間的耦合效應。

2）减小聯軸器長度LP。 當LP延遲接近或超過訊號上升時間的兩倍時，產生的串擾將達到飽和。

3）帶狀線（帶狀線）或埋入式微帶線（嵌入式微帶）的蛇形線引起的訊號傳輸延遲小於微帶線（微帶）的訊號傳輸時延。 理論上，由於差模串擾，帶狀線不會影響傳輸速率。

4）訊號線的高速和嚴格的定時要求，儘量不要走蛇形線，特別是在小規模的纏繞線上。

5）通常可以在任何角度使用蛇形佈線，這可以有效地减少彼此之間的耦合。

6）高速PCB設計，蛇形線沒有所謂的濾波或抗干擾能力，這只會降低訊號質量，囙此只能用於時間序列匹配，沒有其他用途。

7）有時可以考慮螺旋線的纏繞方法，類比顯示效果優於普通蛇形線。 PCB佈線後，佈線是否完成？ 顯然不是！ 在PCB佈線檢查工作之後也是非常必要的，所以如何檢查PCB的設計和佈線，還要學習更多的其他相關知識。

蛇形線是一種常見的PCB佈線方法，可以幫助减少電磁干擾和訊號串擾，提高電路的穩定性和可靠性。 在高頻高速電路的設計中，合理應用蛇形對齊可以發揮重要作用，是PCB設計中的重要科技手段之一。