PCB设计：绕等长
一、为什么需要“绕等长”
传输线等长包括差分对内等长，也包括相同类型的传输线组内等长。如果传输线不等长会带来一些信号完整性的问题，包括时序不满足要求、损耗过大或者容易受干扰等等。最简单的方式就通过绕线使差分对不同的两段传输线长度一致。
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：
PCB（印刷电路板）设计中走线需要绕等长主要是为了保证信号的同步和完整性。这在高速信号传输和差分信号对设计中尤为重要。以下是一些具体原因：
1、时序的要求：
在高速信号传输中，如DDR、PCIe等，数据线和时钟线之间的长度差异会导致信号的延时不同。如果走线长度不一致，信号到达的时间就会不同，可能会导致时钟和数据不同步，造成数据错误。也就是说同步信号系统“有时钟和数据”的系统，需要满足“建立时间”setup time和“保持时间” hold time。
比较早的一些SoC会给出各种时序参数，让工程师自己计算等长的要求，或者计算线长差的要求。
那么时钟和信号线之间就会有延时差要求，现在很多IC已经设计很好了，只需要保持时钟和信号“等长”就可以。
2、同组信号的同步性
在一些对时序要求非常严格的系统中，所有信号需要在特定的时刻到达。如果走线长度不一致，会导致某些信号先到达，某些信号后到达，破坏了系统的时序要求。
对于有些总线来说，数据是一组数据，地址，命令这些也是一组数据，需要组间等长。
3、差分信号对：
对于差分信号对（如LVDS、USB、Ethernet等），两条信号线之间必须保持等长，以确保差分对的信号在接收端保持相位一致。如果两条线长度不一致，会导致信号相位偏移，影响信号传输的质量。
理想情况下，差分信号是正负对称的，其共模份量为零或者只有直流份量，如图所示。如果差分线的正负传输线长度不等，造成传输时间不一致，实际上就是信号在时间轴上的不对称，在终端负载电阻上就能观察到图2所示的波形。显然此时的正负波形不能严格对称，差分电路中的正负电流无法抵消，于是其电源中就有共模电流份量在流动。
PCB设计：差分线
二、一些需要绕等长的信号
DDR 首先可以想到的就是DDR信号(DDR是最常见的源同步传输方式的信号之一)，DDR中所有的控制线和地址线都是在CK上升沿与CK#下降沿的交叉处被采样；而数据线与其对应的DQS、DQS#(数据选通)信号同步。 DQS、DQS#为数据选通(锁存)信号，双沿有效，写数据时输入，信号沿与数据中心对齐；读数据时输出，信号沿与数据边沿对齐。 以16bit DDR为例，其一共可以分为三组来做等长处理： 第一组：CLK/CLK#、地址线与所有的控制线 第二组：D0~D7、DQS0、DQM0 第三组：D8~D15、DQS1、DQM1 eMMC & SDIO 其次就是eMMC总线和SDIO总线，在这两种总线中，DATA信号和CMD信号都是与CLK同步。 所以eMMC总线和SDIO总线中DATA信号、CMD信号和CLK信号需要一起做等长处理，支持HS400的eMMC总线还有DATA Strobe信号，也需要和数据线做等长。 RMII、GMII、RGMII、XGMII(MII) MII是媒体访问控制(MAC)子层和物理层(PHY)之间的接口，从媒体独立接口(Media Independent Interface)一文中我们可知，MII总线一般分为两部分(Tx和Rx)，TX数据线与TXCLK信号保持同步；RX数据线与RXCLK信号保持同步。 所以MII总线的等长处理可以分为两组： 第一组：TXD[0:3]、TX_CLK 第二组：RXD[0:3]、RX_CLK 同理，RMII、GMII、RGMII、XGMII都需要分成两组做等长处理。 HDMI 在HDMI 2.1之前，HDMI有三对差分数据线和一对CLK信号，但是这组CLK信号只是作为参考信号，在接收端倍频用于数据信号的采样，传输时并不与数据信号同步。 所以在HDMI2.1之前，只要保证三对数据线绕等长即可(实际根据HDMI协议规定，HDMI 2.0的对间Skew可以允许最大2000mil，就算不绕等长也基本不会有问题)。 而对于HDMI 2.1，由于其采用了时钟数据恢复技术，不会存在时差，所以可以不用绕等长。
三、“等长”≠“等延时”
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？
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（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，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）。
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。
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