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HDMI輻射超標？談談差分線傳輸線長度差
閱讀：1106 發布時間：2021-4-23
1、問題的由來
一臺設備在輸入 HDMI 信號時測試輻射特性，主要是 HDMI 的 CLK 頻率及其倍頻的輻射強度易超標，有時換一條 HDMI 線纜或者換一臺作為信源的 PC 后，被測機器的測試結果也會有數 dB 甚至十多 dB 的變化，一時讓很多硬件工程師頭疼不已。
2、問題的分析
造成 HDMI 輻射超標的原因有多種可能，就不一一分析了，這里只重點談談與差分線傳輸線長度差有關的問題。
理想情況下，差分信號是正負對稱的，其共模份量為零或者只有直流份量，如圖 1 所示。如果差分線的正負傳輸線長度不等，造成傳輸時間不一致，實際上就是信號在時間軸上的不對稱，在終端負載電阻上就能觀察到圖 2 所示的波形。
顯然此時的正負波形不能嚴格對稱，差分電路中的正負電流無法抵消，于是其電源中就有共模電流份量在流動。
研究過 EMI 的人都知道，共模輻射是最難對付的。
圖 1
圖 2
差分信號轉共模信號的現象，在李玉山教授翻譯的 Bogatin 的《信號完整性》一書中第 11.15 章和 11.16 章中對此有詳細的解釋。
書中給出的指導原則是差分線的長度偏差必須在上升沿空間拓展的 20%以內，如果上升時間是 100ps，那么長度差應該控制在 100mil 以內（以 FR4 材質的 PCB 為例），否則會引起 EMI 問題。
3、用實驗來驗證
讓我們先用實驗來驗證一下上面的分析，看看能否能證實這個推斷。
實際測量一下差分信號，如圖 3 所示，圖中最下面一條圖形為共模電壓份量，很明顯在波形正負邊沿交叉的時候的確有脈沖輸出。
圖 3
我們隨機選取了 10 條 HDMI 線，使用網絡分析儀測試了每條線的 CLK 差分線的時延差，因為時延差直接反映了正負傳輸線的長度差，10 條線的時延差如表 1 中所示。
表 1
接下來，分別選兩臺 EMI 測量用 PC 作為 HDMI 信源，接上負載，然后測量每條線所產生的共模電壓的峰峰值，如表 2 中所示，將它們繪制在圖 4 中。
表 2
從圖 4 中，我們可以看到直觀的看到：只要時延差（橫軸表示）大的，無論是正值還是負值，其共模電壓幅度（縱軸表示）均較高，且兩臺電腦呈現相同的趨勢。這就是說時延差大的，也就差分線長度匹配差異越大，產生的共模電壓越高。
圖 4
在隨后的輻射測試中，保持測試電腦（PC1）及被測機器不變，依次更換 10 條 HDMI 線，其結果印證了我們的預計，數據詳見表 3。
為了圖形的清晰，選擇共模電壓最小、中間、最大的 8#、4#、0#這 3 條線的測試數據用圖形表示，如圖 6 所示。
0#線時延差最大，輻射也最大；8#線時延差最小，輻射也最小。
絕大部分頻率點上的輻射特性強弱與共模電壓大小幾乎都有直接的對應關系。
表 3
圖 6
以上實驗說明差分線長度的不匹配程度越大，共模輻射也越大，也就解釋了換用不同的 HDMI 線其輻射測試結果相差甚遠的原因。
4、關于眼圖的 X 軸抖動
通過前面的分析，我們自然會聯想到信號在時間軸上的不對稱一定會影響眼圖的質量，如 X 軸上的抖動范圍會更大，因為差分信號的邊沿更容易觸碰模板了，如圖 7 所示。
圖 7
需要注意的是，長度匹配是指芯片到芯片（即差分信號發送端到接收端）之間的鏈路，并不是對 PCB 走線的單一要求。
經與 IC 供應商了解后發現，其內部的差分線金線的長度差有時可以達到 40-60mil 這樣的數值，顯然是不能被忽略的。
在芯片供應商提供了 IC 內部每條差分線金線的長度后，要求 PCB 工程師根據此數據將差分走線的進行長度匹配，總偏差控制在 10-20mil（注意：是同一對差分線的正負線長度差，不是差分對與差分對的長度差）。
某產品在僅僅改善了差分線的長度匹配之后，眼圖測試中觸碰模板的數量便大幅度得到改善，如表 4 所示，水平軸上的抖動也從 148ps 降低到 122ps，確定性抖動與總抖動也有不同程度的下降，如圖 8 所示。
表 4
圖 8
5、小 結
差分電路的好處是在于對稱，包括傳輸線的長度對稱，倘若做不到，差分信號轉共模信號后會帶來 EMI 和眼圖等問題。上升沿速度越快，對差分長度匹配要求越高。
對于在 PCB 板上的差分傳輸線，必須考慮差分芯片收發整個鏈路的長度差，這一點在設計中常常被忽略。
信號上升沿在 100ps 級別時，筆者認為 Bogatin 提出的 100mil 匹配要求（FR4 材質 PCB）對于 EMI 來說還是有很大風險的，差分線的長度匹配控制在 10-20mil 以內比較穩妥。
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