高端服務器信號完整性和電磁兼容設計

張斌

（浪潮（北京）電子信息產業有限公司 北京 100085）

高端服務器信號完整性和電磁兼容設計

張斌

（浪潮（北京）電子信息產業有限公司 北京 100085）

對于電子產品設計來說，信號完整性和電磁兼容二者互相滲透，很難劃分明確的界限。電子兼容設計的缺陷往往導致信號完整性問題，反之信號完整性設計的不足也會引起電磁兼容的問題。本文試圖將這兩者放在一起，就服務器設計中信號完整性和電子兼容設計做出較為系統的闡述。

高端服務器；信號；電磁兼容；設計

服務器尤其是高端服務器由于其承擔的業務特點，對并發處理速度、數據IO吞吐能力的要求極高，其主板上的高速信號種類多、密度高、走線距離長，而且由于架構復雜，常常需要經過高速連接器、過孔，跨越多塊板卡實現互連，對信號完整性設計提出了極大挑戰。相當數量的信號接口速率已經接近或達到射頻階段（300kHz-300GHz），信號完整性設計存在很大困難。

在板級設計中，傳輸線的拓撲、過孔的寄生參數以及連接器本身等因素對信號完整性有最大的影響。需要通過信號仿真軟件，進行模型構建、多模型級聯、通道統計仿真等工作，以降低系統互連設計風險。除此之外，印制電路板材料在高頻下也會帶來介質損耗與導體損耗，傳統的板材會對信號有較大的衰減，在高速信號完整性設計過程中，需要引入低損材料，并對各類低損耗材料進行測試驗證和對比分析，從中選取出既能滿足系統性能，又能保證硬件系統設計可靠性要求的材料。這些因素都會增加高速信號完整性設計的難度。

信號完整性設計的完整過程包含：信號前仿真、PCB布線設計、信號后仿真、PCB布線優化。信號完整性分析主要指信號前仿真和信號后仿真，前仿真在方案評估階段進行，根據系統方案對高速信號鏈路進行建模仿真，對系統方案的可行性在信號完整性方面進行驗證；后仿真則在PCB布線設計完成，信號傳輸鏈路確定后，根據實際鏈路建模進行仿真和優化。

隨著信號速率的不斷提升，PCB損耗成為影響高速信號通道質量的關鍵因素。PCB損耗主要包括介電損耗和導體損耗，其中介電損耗為主要因素。材料的選擇對于信號完整性設計至關重要。建立自有材料庫，提取多種材料的實際參數特性，才能為高速信號仿真提供可信的參數，如介電常數，倒角損耗，傳輸線損耗等。

典型的信號鏈路包含發送端、接收端和無源鏈路。信號完整性設計就是保障無源鏈路滿足發送端和接收端的完整性要求。無源鏈路主要包含過孔、傳輸線、高速連接器、串行阻容等被動元器件。當頻率大于5Gbps時，過孔損耗效應對于傳輸鏈路的影響居于首位，采用有限元算法的3D電磁場仿真工具，建立過孔和傳輸線模型，將PCB材料的介電常數、倒角損耗、傳輸線損耗等參數導入模型中進行仿真，以獲取過孔和傳輸線的高頻S參數模型。過孔和傳輸線3D建模最常用的仿真軟件是ANSOLFT的HFSS仿真工具。

芯片發送端和接收端模型、高速連接器S參數模型可以從芯片和高速連接器供應商處獲取，串行阻容器件模型可通過HSPICE仿真軟件建模仿真獲取。

信號完整性設計綜合仿真通常使用HSPICE仿真軟件來實現，HSPICE仿真軟件可將各部分模型進行整合：芯片發送端和接收端模型、高速連接器S參數模型、過孔S參數模型、傳輸線S參數模型、串行阻容器件參數模型整合成一條完整的高速信號傳輸鏈路。

利用HSPICE仿真軟件在高速信號鏈路的發送端發送多位碼型（如PRBS31，8B/10B）進行信號傳輸仿真，在接收端通過碼元累積疊加的形式來得到接收端信號眼圖，判定接受信號眼圖是否滿足要求。

根據仿真的結果對系統方案進行調整（前仿真）或對PCB布線進行優化（后仿真）。

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC），是指電子和電氣系統、設備和裝置在預定的電磁環境和設定的安全界限內在設計的性能水平工作時不會因為電磁干擾而不引起不可接受的功能降級。

一個系統如果滿足以下三個準則，就認為具有電磁兼容性：

（1）不對其他系統產生干擾；

（2）對其他系統的輻射不敏感；

（3）不對自身產生干擾。

這就是我們研究引申EMC的目的所在。

最簡單的電磁干擾模型有三個基本要素：

（1）一定存在電磁干擾源；

（2）必須在干擾源和干擾受體之間存在耦合通道來傳輸有害電磁能量；

（3）一定存在電磁干擾受體，當電磁干擾強度超出容許的界限時，被干擾設備性能會發生混亂。

在單板范圍內，我們可以找到如下幾個與輻射有關的項：

干擾源：時鐘電路（包括晶振、時鐘驅動電路）；開關電源；高速總線；高電平信號、大電流信號、部分塑封器件；內部互連電纜；不恰當布防的印制線條等。

耦合途徑：傳播能量的各種媒質，例如自由空間、互連電纜（共模耦合）。

按傳播的方式，電磁干擾分成兩種類型：傳導型干擾是系統產生并返回到支流輸入線或信號線的噪聲；輻射型干擾以電磁波的方式直接發射。

單板中敏感器件或信號主要有：鎖項環、收發模塊、模擬信號、復位信號、小弱信號。

總結：對于EMC來講，這三個要素缺一不可。如果任一要素不存在，EMI也就不存在了。

上述也意味著防止干擾的三種途徑：

（1）抑制源的發射。

（2）盡可能使耦合路徑無效。

（3）使接受器對發射不敏感。

抑制源的發射：一般地說，在設計PCB時，消除主要的干擾源是最廉價有效的方法。干擾是產生初始波形的主要因素。PCB必須設計成使產生的電磁能量只限于需要的裝配部件處。通過必要的布局、布線以及采取屏蔽、接地措施來提高設備的抗擾能力。

盡可能使耦合路徑無效。

在三要素的對策中切斷干擾的傳播途徑是最重要的一環。在單板上可采取以下措施來切斷耦合途徑或者減少耦合：

（1）對應傳導耦合：加濾波電容、濾波器、共模線圈、隔離變壓器等；

（2）對應輻射耦合：相鄰層垂直走線、加屏蔽地線、磁性器件合理布局、3W規則、正確層分布、輻射能力強或敏感信號內布層、使用I/O雙絞線、輻射信號強的信號遠離拉手條、板邊縫隙等。

從產品EMC設計的對策、手段來講，通常采用的不外乎接地、屏蔽、濾波三種。關于接地、屏蔽等一般涉及到結構的開發，本文主要針對PCB的EMC設計給予介紹。

在PCB設計的EMC設計，影響的因素很多，例如：PCB的層疊設計，電容的擺放，接口電路，時鐘晶振布局走線，電源布局走線，關鍵信號的布線等。幾乎PCB設計的任何一個步驟都會產生相應的EMC問題。在這里我們著重的分析電容使用、布線的一些特性以及靜電的問題。

PCB設計的經驗法則：“在電路板的電源接入端放置一個1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。

對電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值，還需要考慮其它因素。包括：

電介質材料，電容的幾何尺寸和放置位置。

合理布置電源濾波/退耦電容：一般在原理圖中僅畫出若干電源濾波/退耦電容，但未指出它們各自應接于何處。其實這些電容是為開關器件（門電路）或其它需要濾波/退耦的部件而設置的，布置這些電容就應盡量靠近這些元部件，離得太遠就沒有作用了（當電源濾波/退耦電容布置的合理時，接地點的問題就顯得不那么明顯）。電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

通常靜電放電（ESD）和電快速瞬變脈沖群（EFT）對數字電路的危害甚于其對模擬電路的影響，是我們必須關心的問題。靜電放電能夠進入輸入輸出端口和使用者可能接觸的地方。抑制靜電放電就是防止元件或者系統表面的高電壓脈沖通過輻射和傳導影響系統功能。

ESD能量在開始階段積累的非常慢（以分或者妙計），然后再電容一類的結構里存儲（比如人體、家具或者非連接的電纜）緊接著積累的電荷發生快速擊穿（通常在納秒的時間內）。隨著這個納秒范圍的脈沖，放電能量能產生幾百兆赫茲到1GHz以上的電磁干擾。人體靜電的上升時間大約200ps到10ns甚至更快，其峰值脈沖電流可以有數安到30A以上。由于放電電流高速度、寬頻譜分布的特點，ESD能量能夠損壞電路，產生地反彈、甚至通過電磁耦合發生故障。

有關在PCB中采用的靜電防護設計技術在下面簡述一下，當然在SCH，結構中的防護設計也同樣重要。

（1）減小環路面積。

（2）使布線長度盡可能短。

（3）設置地填充或者低阻抗的放電傳播路徑。

（4）合理使用退耦電容和旁路電容。

（5）隔離電子器件和靜電放電源。

（6）確保機架地連接是低阻抗而且有良好的絕緣特性。

[1]武 寧.服務器的信號完整性設計[J].科技浪潮，2013（2）.

[2]白同云.電磁兼容設計[J].北京郵電大學出版社，2011.

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1004-7344（2016）17-0262-02

2016-5-20