謹(jǐn)小慎微：淺談蛇形線的作用_高都電子PCB技術(shù)中心_pcb學(xué)

經(jīng)常能看到有人在問(wèn)蛇形線的問(wèn)題。平時(shí)我們能看到蛇形線的地方大都是一些高速高密度板，好像帶有蛇形線的板子就更高級(jí)，會(huì)畫(huà)蛇形線就是高手了。網(wǎng)上關(guān)于蛇形線的文章也有很多，總感覺(jué)有些帖子的內(nèi)容會(huì)誤導(dǎo)新手，給人們帶來(lái)困擾，人為制造一些障礙。那么我們來(lái)看看實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中蛇形線到底有什么作用。

　　要弄懂蛇形線，我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)PCB走線。這個(gè)概念似乎不用介紹，做硬件的工程師每天在做的不就是布線工作么。PCB上的每條走線都是硬件工程師辛苦的一條一條畫(huà)出來(lái)的，這有什么可說(shuō)的呢?其實(shí)就是這簡(jiǎn)單的走線也包含了很多我們平時(shí)會(huì)忽略的知識(shí)點(diǎn)。比如說(shuō)，微帶線和帶狀線的概念。簡(jiǎn)單地說(shuō)微帶線是走在PCB板表層的走線，帶狀線是走在PCB內(nèi)層的走線。這兩種線有什么區(qū)別呢?微帶線的參考平面是PCB內(nèi)層的地平面，走線的另一面是暴露在空氣中的，這樣就造成了走線四周的介電常數(shù)并不一致，比如我們常用的FR4基板介電常數(shù)是4.2左右，空氣的介電常數(shù)是1。而帶狀線上下兩面都有參考平面，整個(gè)走線是嵌入在PCB基材當(dāng)中的，走線四周的介電常數(shù)是一致的。這也就造成了帶狀線上傳輸?shù)氖荰EM波，而微帶線傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM波。為什么是準(zhǔn)TEM波?那是由于在空氣和PCB基材交界處的相位不匹配造成的。什么事TEM波?…………如果就這個(gè)問(wèn)題深挖下去的話(huà)，講上十天半個(gè)月也講不完。長(zhǎng)話(huà)短說(shuō)，無(wú)論是微帶線還是帶狀線，他們的作用無(wú)非就是用來(lái)承載信號(hào)，無(wú)論數(shù)字信號(hào)或者模擬信號(hào)。這些信號(hào)在走線里以電磁波的形式從一端傳輸?shù)搅硪欢?。既然是波，那就要有速度。信?hào)在PCB走線上的速度是多少呢?根據(jù)介電常數(shù)的區(qū)別，速度也不一樣。電磁波在空氣中的傳播速度是大家都熟知的光速。在其他介質(zhì)中的傳播速度就要通過(guò)下面的公式來(lái)計(jì)算：

　　V=C/Er0.5

　　其中，V是在介質(zhì)中的傳播速度，C是光速，Er是介質(zhì)的介電常數(shù)。通過(guò)這個(gè)公式我們就能輕松的計(jì)算出信號(hào)在PCB走線上的傳輸速度。比如我們把FR4基材的介電常數(shù)簡(jiǎn)單以4來(lái)帶入公式計(jì)算，也就是信號(hào)在FR4基材中的傳輸速度是光速的一半。但是表層走線的微帶線，由于一半在空氣中，一半在基材中，介電常數(shù)會(huì)略有降低，這樣傳輸速度會(huì)比帶狀線略快一些。常用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)就是微帶線的走線延時(shí)大約為140ps/inch,帶狀線的走線延時(shí)大約為166ps/inch。

　　前面說(shuō)了這么多只有一個(gè)目的，那就是信號(hào)在PCB上的傳輸是有延時(shí)的!也就是說(shuō)信號(hào)并不是在一個(gè)管腳發(fā)送出去以后，瞬間就通過(guò)走線傳輸?shù)搅硪粋€(gè)管腳。雖然信號(hào)傳輸?shù)乃俣群芸?，但是只要走線長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，還是會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸帶來(lái)影響。比如說(shuō)一個(gè)1GHz的信號(hào)，周期是1ns，上升沿或者下降沿的時(shí)間大約為周期的十分之一，那么就是100ps。如果我們的走線長(zhǎng)度超過(guò)1inch(大約2.54厘米)，那么傳輸?shù)难舆t就差出了一個(gè)上升沿還要多的時(shí)間，如果走線超過(guò)8inch(大約20厘米)，那么延遲就能整整差出一個(gè)周期!原來(lái)PCB的影響這么大，我們板子上超過(guò)1inch的走線是很常見(jiàn)的。那么延遲會(huì)對(duì)板子正常工作有影響么?看看實(shí)際系統(tǒng)，如果只是一個(gè)信號(hào)，和其他信號(hào)不想關(guān)，那么延遲似乎不會(huì)有什么影響。但是，在高速系統(tǒng)里，這個(gè)延遲是會(huì)實(shí)實(shí)在在的發(fā)生作用的。比如我們常見(jiàn)的內(nèi)存顆粒，是以總線形式連接的，有數(shù)據(jù)線，有地址線，有時(shí)鐘，有控制線。再看看我們的視頻接口，HDMI或者DVI無(wú)論幾個(gè)通道，都會(huì)包含數(shù)據(jù)通道和時(shí)鐘通道。或者是一些總線協(xié)議，都是數(shù)據(jù)和時(shí)鐘同步傳輸。那么，在實(shí)際的高速系統(tǒng)當(dāng)中，這些時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)都是同步的從主芯片中發(fā)送出來(lái)的，如果我們的PCB走線設(shè)計(jì)很差，時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的長(zhǎng)度相差很大，那么很容易就能造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤采樣，那么整個(gè)系統(tǒng)也就不會(huì)正常工作了。要解決這個(gè)問(wèn)題怎么辦呢?很自然的我們就會(huì)想到，把長(zhǎng)度短的走線加長(zhǎng)，讓同組的走線長(zhǎng)度差不多，那不就延遲一樣了?那怎么把走線加長(zhǎng)呢?繞唄!Bingo! 終于繞回主題了，真不容易。這就是蛇形線在高速系統(tǒng)中的主要作用。繞線，等長(zhǎng)。就是這么簡(jiǎn)單。蛇形線就是用來(lái)繞等長(zhǎng)的，通過(guò)畫(huà)蛇形線，我們能讓同組信號(hào)實(shí)現(xiàn)等長(zhǎng)，這樣在接收芯片接收到信號(hào)后就不會(huì)由于PCB走線上的不同延時(shí)造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)采了。蛇形線和其他PCB板上的走線一樣，都是用來(lái)連接信號(hào)的，只是走的長(zhǎng)一些而已，無(wú)它。所以蛇形線并不高深，也沒(méi)多復(fù)雜。既然和其他走線一樣，那么一些常用的布線規(guī)則對(duì)蛇形線也是適用的，同時(shí)由于蛇形線的特殊結(jié)構(gòu)，在布線時(shí)要注意到，比如盡量讓蛇形線相互平行的部分遠(yuǎn)一點(diǎn)，短一點(diǎn)，也就是俗話(huà)說(shuō)的繞大彎，不要在小范圍內(nèi)繞的太密太小。這都有助于減小信號(hào)干擾。蛇形線由于人工的增加了線長(zhǎng)，對(duì)信號(hào)必然是有壞的影響的，所以在系統(tǒng)中只要能滿(mǎn)足時(shí)序要求，能不用就不要用。有些工程師凡是用到DDR或者用到高速信號(hào)就會(huì)去做全組等長(zhǎng)，蛇形線滿(mǎn)板飛，似乎這樣就是更好的布線，實(shí)際上這是偷懶不負(fù)責(zé)任的表現(xiàn)。很多不需要繞線的地方繞線了，浪費(fèi)了板子的面積不說(shuō)，也降低了信號(hào)質(zhì)量。我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的信號(hào)速度要求計(jì)算延遲的冗余度，從而確定好板子的布線規(guī)則。

　　除了等長(zhǎng)的作用以外，看到網(wǎng)絡(luò)上的文章中經(jīng)常提到蛇形線的其他幾個(gè)作用，這里也簡(jiǎn)單說(shuō)一下。

　　1、 經(jīng)?？吹降囊粋€(gè)說(shuō)法是阻抗匹配的作用。這個(gè)說(shuō)法很奇怪，PCB走線的阻抗和線寬有關(guān)，和介電常數(shù)有關(guān)，和參考平面的距離有關(guān)，什么時(shí)候和蛇形線有關(guān)了?走線的形狀什么時(shí)候影響到阻抗了?不知道這個(gè)說(shuō)法的源頭是從哪來(lái)的。

　　2、 還有說(shuō)是濾波的作用。這個(gè)作用不能說(shuō)沒(méi)有，但是在數(shù)字電路里面應(yīng)該沒(méi)有濾波的作用或者說(shuō)在數(shù)字電路里面我們是不需要用到這個(gè)功能的。在射頻電路里，蛇形的走線能形成一個(gè)LC電路，如果說(shuō)對(duì)一定頻率的信號(hào)有濾波作用那還是說(shuō)的過(guò)去的。

　　3、 接收天線。這個(gè)可以有。在有些手機(jī)或者收音機(jī)上我們都能看到這個(gè)作用。有些天線就是用PCB走線來(lái)做的。

　　4、 電感。這個(gè)可以有。本來(lái)PCB上的所有走線都有寄生電感。要做一些PCB電感是可以實(shí)現(xiàn)的。

　　5、 保險(xiǎn)絲。這個(gè)作用讓我百思不得其解。短而窄的蛇形線怎么起到保險(xiǎn)絲的作用呢?電流一大就燒斷?那板子不是廢了，這個(gè)保險(xiǎn)絲的代價(jià)太大了吧，實(shí)在想不明白會(huì)在什么樣的應(yīng)用中用到。

　　通過(guò)上面的介紹我們可以明確，在模擬或者射頻電路當(dāng)中，蛇形線有些特殊作用，這是微帶線特性決定的。而在數(shù)字電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，蛇形線就是用來(lái)做等長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)序匹配的作用。并且，蛇形線會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以在系統(tǒng)中應(yīng)該明確系統(tǒng)需求，根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算系統(tǒng)冗余，謹(jǐn)慎使用蛇形線。