深入分析：常說的3H原則在PCB設(shè)計中的應(yīng)用

edadoc

. G0 c) i. H8 L" P' b" y, b- U1 r
$ d( M0 O6 s8 S8 K$ g7 g) X6 i

高速先生成員--黃剛

每一位剛進入PCB行業(yè)的同學(xué)，基本上頭幾個接觸到的設(shè)計經(jīng)驗就肯定少不了“3H”原則。當(dāng)然大家也都知道，這個原則是為了傳輸線之間的串?dāng)_改善而建立的規(guī)定，那就是要求傳輸線中心到中心的距離滿足至少3H的值（也就是空氣間距gap大于2H），其中H是傳輸線到參考平面的距離，其實也就相當(dāng)于是上下層PP或者CORE的厚度了，就好像下面的樣子。

; p# t) y* D& F2 A( w; b3 C; |

) _6 l1 h! h8 s9 e

# j5 I$ a* B+ K4 g$ G

當(dāng)然pcb設(shè)計工程師本身只會對物理規(guī)則負(fù)責(zé)，不對電氣規(guī)則負(fù)責(zé)。也就是說，SI工程師定下來“3H”原則后，PCB工程師通過疊層文件知道了H的數(shù)值后，然后在組內(nèi)的高速差分線應(yīng)用上去就好了�？臻g緊張的滿足“3H”，空間不緊張的拉開到“5H”，甚至是驚人的“7H”！總之，PCB工程師只管在PCB版圖上實現(xiàn)就完事了。

' }2 I1 S; W9 q" c$ `! p# N& P

! U/ q- q- m5 S0 l' D
& R/ s+ o1 {( b

這不有一天，公司內(nèi)一群好學(xué)的PCB工程師同事找到了Chris，想知道到底“3H”原則是不是就一定能讓高速信號之間的串?dāng)_變得很小了，有沒有必要做成“5H”甚至“7H”，總之就是，他們想讓Chris把物理規(guī)則量化成電氣規(guī)則。面對同事的“軟磨硬泡”，行唄，那就以他們手頭上的這個25Gbps的高速項目為例給他們說道說道。

# F7 e& `# X5 j' a" n

Chris先打開他們設(shè)計文件的疊層，高速線走了很多個內(nèi)層，結(jié)構(gòu)線寬都相同。以L5層高速線為例，上面的core厚度是4mil，下面的PP也差不多4mil。然后按照100歐姆阻抗控制的話，線寬為4.5mil，線間距為7.5mil，如下所示：

7 ^& c+ S: u: h& q' _3 i

4 ~7 M! y- j) s9 m/ M/ r$ `

那我們把L5層的走線提取到3D模型中去，通過仿真來驗證所謂的“3H”原則。模型就是下面這樣了。

0 Z: W) ~1 d9 O$ M2 q) X  ^! O9 d

* U* V, p# L" V, r5 e

4 |0 T9 O- v; o. j" _6 {' O5 d& l" Y

那首先我們看看只有一對走線的情況下，去仿真它的電磁場特性，結(jié)果如下：

( W" _, O: Z3 j- k) c: S

* Z2 p9 O7 t1 F) W: _# ^

+ J% W+ B, ?& E% G/ ?

可以看到，電磁場的范圍基本上就在差分線中心往左邊或者右邊3H的距離，H是4mil。再遠(yuǎn)的地方其實就沒太多電磁場分布了。從參考地平面的角度去看也是類似的結(jié)論，如下所示，也還是基本集中在3H的范圍。

0 B0 d, F2 O( B% E6 P8 S6 e, ~4 R3 b

6 t3 J: g& w" E. c- F7 h. \

當(dāng)然如果把另外一對做到3H原則的差分線一起放進來看，也能有同樣的結(jié)論，左邊這對攻擊線的電磁場其實還沒波及到右邊這對受害線上面去。既然電磁場沒波及過去，也就說明其實串?dāng)_能量也不會很多的傳遞過去。

% u' M, @4 I9 r5 J* }: {$ T( p

Chris從電磁場的角度給設(shè)計的同事去分析，他們的確是有一種get到新知識的新鮮感，而且這個場的仿真結(jié)果也比較形象，能直觀的看到“3H”設(shè)計原則的效果，他們看到都紛紛表示。。。贊！

$ a: [! r* v; d0 m

當(dāng)然，場的仿真結(jié)果其實也還是個定性的結(jié)果了，可能給PCB設(shè)計的同事看比較直觀，但是并沒有起到一個量化的效果。如果要量化具體指標(biāo)的話，還得回到傳統(tǒng)的S參數(shù)仿真方法，也就是直接進行串?dāng)_的頻域仿真。

Chris對模型賦上一定的掃描變量，看看這兩對差分線從最小的“2H”到“3H”再到“5H”（其實Chris還順帶偷偷仿真了“7H”哈）的情況下串?dāng)_具體數(shù)量的差異！以下就是“2H”、“3H”和“5H”三種case的仿真模型。

. b5 p. [- \6 ?( ~+ _/ c

' G/ h3 F, R8 {

' X! \, g; X6 ~2 x2 t8 s( K

唰一下，不同差分線間距的串?dāng)_仿真結(jié)果都完成了，我們把結(jié)果放到一起來直觀的對比，如下所示：可以看到，2H的情況下串?dāng)_就比較大了，只有不到35db，3H的話已經(jīng)能做到50db，4H和3H其實差異就不大了，如果要往60db去做的話，就要達到5H的距離，如果繼續(xù)追求高指標(biāo)的話，7H可能是你們喜歡的設(shè)計哈！

" l) K  H1 [/ Z9 _8 ^

: N0 I! r2 u& M# w) j

當(dāng)然對于25Gbps信號來說，編碼方式是NRZ編碼，其實3H是夠用的了。如果在同樣基頻下要跑到56Gbps-PAM4的話，可能需要往5H做，因為PAM4的串?dāng)_的要求還是比較高的。反正需要做到多少間距，一個是看你們的產(chǎn)品的速率來定，另外就是看設(shè)計工程師能不能做到了哈。

1 S% T' L" V9 M2 e) e1 ~# n6 _

當(dāng)Chris把這個量化的S參數(shù)結(jié)果做出來準(zhǔn)備再給設(shè)計部的同事展示的時候，發(fā)現(xiàn)他們早就跑光了，全部回去繼續(xù)做他們的設(shè)計去了，對于設(shè)計工程師來說，知道原理和定性的看到電磁場的結(jié)果，他們其實已經(jīng)滿足了……

# q: Q" k* X1 T( S$ [