產品列表PRODUCTS LIST
1、問題的由來
一臺(tai)設備在輸入 HDMI 信號時測(ce)試輻射特性，主要是 HDMI 的 CLK 頻率及(ji)其倍頻的輻射強度易超標，有(you)時換一條 HDMI 線纜或者換一臺(tai)作為(wei)信源的 PC 后，被測(ce)機器的測(ce)試結果也會有(you)數(shu) dB 甚(shen)至(zhi)十多 dB 的變(bian)化，一時讓(rang)很多硬件工程師頭疼不已。
2、問題的分析
造成(cheng) HDMI 輻(fu)射(she)超標的原因有多(duo)種可能，就(jiu)不一一分(fen)析了(le)，這里(li)只重點談(tan)(tan)談(tan)(tan)與差(cha)分(fen)線(xian)傳輸線(xian)長度差(cha)有關的問題。
理(li)想(xiang)情況下，差(cha)分(fen)信號(hao)是(shi)正負對(dui)稱(cheng)的，其共模份量為零或者(zhe)只有直流份量，如圖 1 所示。如果(guo)差(cha)分(fen)線的正負傳輸線長度(du)不(bu)等，造成傳輸時間不(bu)一致，實(shi)際上(shang)就是(shi)信號(hao)在(zai)時間軸上(shang)的不(bu)對(dui)稱(cheng)，在(zai)終端負載電阻(zu)上(shang)就能觀察到圖 2 所示的波形。
顯然此時的正負波形不能嚴格對稱，差(cha)分(fen)電(dian)路中的正負電(dian)流(liu)無法抵消，于是(shi)其電(dian)源中就(jiu)有共模電(dian)流(liu)份量在流(liu)動。
研究過(guo) EMI 的人都知道(dao)，共模輻射(she)是最(zui)難對付的。
圖 1
圖 2
差分信號轉共模信號的現象，在李(li)玉山教授翻譯的 Bogatin 的《信號完整性》一書(shu)中(zhong)第 11.15 章和(he) 11.16 章中(zhong)對(dui)此有詳(xiang)細的解(jie)釋(shi)。
書中給出的(de)指(zhi)導原(yuan)則(ze)(ze)是(shi)差分線的(de)長(chang)度偏差必須在(zai)上升沿空間(jian)(jian)拓展的(de) 20%以(yi)內，如果上升時(shi)間(jian)(jian)是(shi) 100ps，那(nei)么長(chang)度差應該控制在(zai) 100mil 以(yi)內（以(yi) FR4 材質的(de) PCB 為(wei)例），否則(ze)(ze)會引起 EMI 問(wen)題。
3、用實驗來驗證
讓我們先用(yong)實驗(yan)來驗(yan)證(zheng)一下上面的(de)分析，看看能否能證(zheng)實這個推斷。
實際測量一下差分信號，如圖 3 所(suo)示，圖中最下面(mian)一條圖形為共模(mo)電壓份量，很明顯在波形正負邊(bian)沿交叉的時候的確有脈沖輸出。
圖 3
我們隨機選(xuan)取了(le)(le)(le) 10 條 HDMI 線(xian)(xian)(xian)，使用網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)測試了(le)(le)(le)每條線(xian)(xian)(xian)的(de)(de) CLK 差分(fen)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)時延(yan)差，因為時延(yan)差直接反映了(le)(le)(le)正(zheng)負傳(chuan)輸線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)長(chang)度差，10 條線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)時延(yan)差如表 1 中所示。
表 1
接下來，分別選(xuan)兩臺(tai) EMI 測量用(yong) PC 作(zuo)為 HDMI 信源(yuan)，接上負載，然后測量每條線(xian)所產生(sheng)的共模電(dian)壓的峰峰值，如表(biao) 2 中(zhong)所示，將它們繪制在圖 4 中(zhong)。
表 2
從圖 4 中，我(wo)們可以看到直觀(guan)的(de)(de)(de)看到：只要時延差（橫軸(zhou)表(biao)示(shi)）大的(de)(de)(de)，無(wu)論是正(zheng)值還是負值，其(qi)共模電壓幅度（縱軸(zhou)表(biao)示(shi)）均(jun)較高(gao)，且(qie)兩臺電腦呈現相同(tong)的(de)(de)(de)趨勢(shi)。這(zhe)就(jiu)是說(shuo)時延差大的(de)(de)(de)，也就(jiu)差分(fen)線長度匹(pi)配差異越大，產生的(de)(de)(de)共模電壓越高(gao)。
圖 4
在隨(sui)后的輻射測(ce)試中，保(bao)持測(ce)試電(dian)腦（PC1）及被測(ce)機器不變，依次(ci)更(geng)換 10 條 HDMI 線，其結果印(yin)證了(le)我(wo)們的預計，數據(ju)詳見表 3。
為了圖形的清晰，選擇共(gong)模電(dian)壓(ya)最(zui)(zui)小、中間、最(zui)(zui)大的 8#、4#、0#這 3 條線的測試數(shu)據(ju)用圖形表示(shi)，如圖 6 所示(shi)。
0#線時(shi)延差最(zui)大，輻射(she)(she)也最(zui)大；8#線時(shi)延差最(zui)小，輻射(she)(she)也最(zui)小。
絕(jue)大部(bu)分(fen)頻(pin)率點上的輻射(she)特性強(qiang)弱(ruo)與共模電壓大小幾乎都有直接(jie)的對應關(guan)系。
表 3
圖 6
以上實驗說明(ming)差(cha)分線長度的不(bu)匹配程(cheng)度越大，共模輻射(she)也越大，也就解釋(shi)了換用不(bu)同的 HDMI 線其(qi)輻射(she)測試結(jie)果(guo)相差(cha)甚遠(yuan)的原因。
4、關(guan)于眼(yan)圖的 X 軸抖動
通(tong)過前面的(de)分析，我們自然會(hui)聯(lian)想到信(xin)號在時間軸上的(de)不對稱一定會(hui)影響眼(yan)圖的(de)質量，如 X 軸上的(de)抖動范圍會(hui)更(geng)大，因為差分信(xin)號的(de)邊沿更(geng)容易觸碰模板了，如圖 7 所示。
圖 7
需要注意的(de)是(shi)，長度匹(pi)配是(shi)指芯片到芯片（即(ji)差分信號發送(song)端到接收端）之間的(de)鏈路，并不是(shi)對 PCB 走(zou)線的(de)單一(yi)要求。
經與 IC 供應商了解(jie)后(hou)發現，其內部的差分線金線的長度差有時可以達到(dao) 40-60mil 這樣的數值，顯然是不能被(bei)忽略的。
在芯片供(gong)應(ying)商(shang)提供(gong)了 IC 內部每條差分線(xian)金線(xian)的長(chang)(chang)度后，要求 PCB 工程(cheng)師(shi)根據(ju)此數據(ju)將差分走線(xian)的進行長(chang)(chang)度匹配，總偏差控制在 10-20mil（注意(yi)：是同一對(dui)差分線(xian)的正負(fu)線(xian)長(chang)(chang)度差，不(bu)是差分對(dui)與(yu)差分對(dui)的長(chang)(chang)度差）。
某(mou)產品在僅(jin)僅(jin)改善了差分線的(de)長(chang)度匹配之(zhi)后，眼圖測試中觸碰模板的(de)數量便大幅度得到改善，如表 4 所示，水平(ping)軸(zhou)上(shang)的(de)抖(dou)(dou)動也從 148ps 降(jiang)(jiang)低(di)到 122ps，確定(ding)性抖(dou)(dou)動與總抖(dou)(dou)動也有不(bu)同程度的(de)下降(jiang)(jiang)，如圖 8 所示。
表 4
圖 8
5、小 結
差(cha)(cha)分電路的好處是在(zai)于對(dui)稱，包括傳輸線(xian)的長度對(dui)稱，倘若做不到，差(cha)(cha)分信號轉共模(mo)信號后(hou)會帶來 EMI 和(he)眼圖等問題。上(shang)升(sheng)沿速度越(yue)快，對(dui)差(cha)(cha)分長度匹配要求越(yue)高。
對于在(zai) PCB 板上的(de)差(cha)分傳輸線(xian)，必須考(kao)慮差(cha)分芯片收(shou)發整(zheng)個(ge)鏈路的(de)長(chang)度差(cha)，這(zhe)一點(dian)在(zai)設計中(zhong)常(chang)常(chang)被(bei)忽略。
信號上升(sheng)沿在(zai) 100ps 級別時，筆(bi)者認(ren)為(wei) Bogatin 提出的(de)(de) 100mil 匹配(pei)要(yao)求（FR4 材質 PCB）對于 EMI 來說還是(shi)有很(hen)大風險的(de)(de)，差分線的(de)(de)長度匹配(pei)控(kong)制在(zai) 10-20mil 以內比(bi)較穩(wen)妥(tuo)。
如有侵(qin)權請聯系(xi)刪除。
在線客服