90%的工程师都没意识到的高速电路设计问题：等长绕线的影响
在文章的开头，给大家提一个问题： 相同物理长度的两段传输线如下图所示，一段直线A，一段绕线B，A和B哪一段的延时会更大？
随着高速电路的发展，电路的设计在朝着高速高密度的方向发展。速度和密度高了的话，各种信号完整性、EMI的问题就出来。这也就出现了各种各样的设计要求规则，比如阻抗稳定性、同组同层、等长设计等等。今天咱们就来讨论一个由等长而引发的一个设计问题，即绕线设计，如下图所示：
在设计中，特别是DDR3/4/5这类的设计，总会有很多的信号线存在，每一组的数据或者地址控制命令信号线都有一定的等长要求，如下所示为某芯片手册的要求：
在设计时，当达不到要求时，工程师首先想到的都是绕线，然后还出现了非常多的绕线方式。如下图所示（此图来自Intel PDG）：
本文就和大家聊一聊平时咱们绕线的方式到底存在一些什么问题？为了完成这个问题的研究，特意做了一个测试板，设计了研究对象为10inch的传输线，一段做参考为直线（上），一段为绕线（下），如下图所示：
一般，大家通常都会认为，这样已经算等长了，而且是完全等长。但是，通过测量其传输特性，测量的结果如下图所示，我们可以看到，其差异还是不小，相差了12.73ps（红色圆圈），而且绕线比直线传输的更快。
这12.7ps换算成物理长度，约为80mil。80mil的长度应该是让有经验的工程师吓一跳，毕竟平时硬件工程师说：给我做好等长，误差在2mil的时候都会跳起脚来大骂。当然，我们这里做实验设计的为10inch，通常很多布线都没这么长，但是也有一些布线确实非常长的。但是，不管怎么样，这个实验都告诉了我们，物理等长，不等于实际设计就等长了。这也是为什么，近年来，业界一些厂商都提倡时序等长的原因。
这是为什么呢？原因就在于绕线之后，由于趋肤效应和电磁场效应，信号都是在表面传递。为了解释此现象，在ADS中设计了一段绕线，进行了电磁（EM）仿真，结果如下图所示：
从上图中，我们可以看到，在绕线的地方，都是在相对比较紧耦合处场电流密度比较大，呈红色，在上方（与传输线平行）以及传输线的中心处，电流密度比较小，呈浅色，这就说明信号靠近边沿处传递，这样就导致了信号传递的“更加快速”，所用的时间更少（本来可以给大家放一张动态图的，但是没能做好，有机会的时候，再给大家show一下）。
而直线的仿真结果如下图所示（长度太长，所以只截取一部分）：
通过以上的分析即可说明，相同的物理长度，绕线的一段延时更小，这样，我们就能回答前面提出来的问题了，显然是A的延时更大（在上文中也说了绕线更快）。
那么问题又来了，工程师在设计时遇到不“等长”的时候，如何做好设计呢？
第一，把物理等长的观念改为等时，及不管绕线还是直线，需要的是传输延时是一样的。有的PCB设计工具是可以使用时间来表示物理长度的；
第二，有时序关系的信号线，在设计时做到同进同出同设计，尽量减少绕线；
第三，如果某一段传输线确实要绕线，绕线的形状大一点，波与波的距离大一点，或者绕的比直线更长一点，至于绕多长，我也不知道，还是请工程师进行下仿真吧（这就是为什么要进行后仿真了）。
当然，好的、方便的设计方法非常多，此为抛砖引玉，希望大家把好的方法也分享出来，有兴趣的也可以进一步的与我交流探讨。
编者注：这种绕线的研究，并不是说每一种总线设计都需要这样做，对于一些低速信号、对时序没有特别要求的信号或者对EMI没有特殊要求的项目，工程师可以不用考虑。以上内容仅供参考。
编辑：admin 最后修改时间：2018-12-24
