一、什么是3W原则
所谓“3W原则”,就是保证线与线的间距,保持线与线中间间距不小于3倍线宽,这样可保证大部分电场串扰在合理范围内。
可以参照下面的线路板的顶视图,假设线宽为W,那么两条线的中心距应该大于3W,这样才能减小两条信号线之间的串扰。
下图是一个剖面图,可以看到,两条线的边缘的间距为2W。
二、3W原则的原理
我们平时在PCB布线的时候,对于高频的,比较重要的信号都要做特殊处理,有些时候会采用包地,有时候使用“3W”原则。
那么我们怎么理解这个3W原则呢,它是如何降低信号之间的串扰的呢?
要了解这个原因,我们要先了解电容的概念,电容的组成一般是两个导体相对而成,而且这两个导体要处于不连接的状态,两个导体之间存在绝缘,这个绝缘可以是绝缘材质,也可以是空气。
上图所示的场景,其实导线与导线之间就和我们的电容的概念一样,所以我们的导线之间是存在寄生电容的。
我们假设,上图的DATA信号在传输的过程当中,由于寄生电容的存在,有一部分信号就会串扰到上面那根CLK线上面去。
一般的数字电路系统中,时钟线是比较重要的,和他相邻的部分导线都会把一部分信号串扰到时钟线上,这个系统的时钟线就会出现误判的情况,从而影响总线读写,内存读写等错误,板子就会出现各种怪异现象。
这个时候,我们想要减小这个串扰,就需要两条线之间的电容,容抗的公式为:
如果从上面的图来看,我们是希望时钟线被分到的DATA信号电压小一点,所以我们应该加大CLK和DATA信号之间的容抗,从公式可以看出,减小容抗的措施可以是减小C的大小,从而增大CLK与DATA信号之间R的值。
如何减小C,我们还得从电容的公式来看:
要减小C,可以减小ε(导体的介电常数)或者减小s(导体的面积),以及增大导体间的距离d来实现,对于高速信号线来说,导体的介电常数不容易改变,导体的面积,也就是两根线相对的面积也改善不大,覆铜不能再薄了。因此,我们只能增大导体之间的距离d,来减小C的大小从而达到降低串扰的目的。
那么在实际应用中应该要把这两根导线相隔多远呢,我们一般是采用3倍线宽的距离来降低信号的线间串扰,这就是我们平时设计当中的3W原则的原理。
当然,我们还有一种方法也可以减小线间串扰,就是这个重要信号两边都加上地线,地线两边的串扰信号通过我们的地线吸收,回流了,线与线之间的串扰就变小了,这就是包地的做法。
当然包地的时候,如果正下方有参考平面,我们最好相隔一定的距离打上地空,那么这个时候他的效果就更好了!
可以想象下,一个重要的人,比如皇后娘娘,走在两边都是高高的围墙的过道里面,那是多么的有安全感。
如果能把天空也封上也不是不可以。
另外,不是所有的PCB上的走线都必须遵照3W布线原则。使用这一设计指导原则,在PCB布线前,决定哪些条走线必须使用3W原则是十分重要的。
三、什么是20H原则
如上图所示,当我们的的电路板中存在这样的电源平面和地平面的时候,在我们板子的边缘,就会产生这样的辐射电磁波,这些电磁波将产生非常严重的EMI。
因此,为了防止这些电磁波跑到外面去,PCB设计的时候,又提出了20H原则,如下图:
通常我们将电源平面的普通内缩,内缩的距离就设定为20倍的平面高度。
四、20H原则的作用原理
为什么内缩了了,辐射将减小呢?
你可以把辐射的电磁波示意的画出来就明白了。
所有的辐射都是要有电流路径的,这些线就表示电流的路径,他会找到距离地层阻抗最低的那一条,当然,阻抗高的也不是一点没有,总是能分到一杯羹的。
这里有一些经验值:
在10H时,磁通泄漏就可以出现显著改变;
在20H时,可以抑制70%的磁通泄漏;
在100H时,可以抑制98%的磁通泄漏。
电源层最好紧邻接地层且在地层的下面,单板电源是通讯系统中最主要的干扰源之一,电源层和地线层的阻抗越低,则相互耦合越大,有利于地线层对电源层干扰信号的吸收,接地层的面积大于电源层的面积,可以充分发挥地层的屏蔽作用,减小电源层对信号层的干扰。
如果我们没有10H那么大的空间缩紧,该如何是好呢?
跟上面讲到的深宫高墙一样,我们可以在板边立上一排柱子,柱子全部链接到参考地平面上。
可能还是侧视图比较直观,就像一道围墙把电源层给封的死死的。
五、3W和3H的权衡
其实,除了“3W原则”,还有“3H原则”。
所谓“3H原则”,就是线与线的间距,不少于走线层面到参考平面的间距的3倍。
这两个原则,虽然近似,但还是有所区别的:3W原则注重磁场耦合,3H原则注重电场耦合。
通常情况下,由于多层板板厚的限制,H和W的数值大体相同,即使有3H原则的应用,但还是沿用3W原则来管控PCB设计的走线间距。
但是,如果走线平面对于参考平面距离H较远时,相邻走线回流电流之间的相互干扰就会比较大,此时就需要关注3H原则。
下图就给出了一个相关特例情况,从图中的电场线路可以看出,3W和3H的原则还是有区别的,我们还是要搞清楚中间的区别,才能在实际工作中灵活应用。
值得庆幸的是,如果间距拉不开,包地操作还是有效的。