蛇形线的画法+作用+特点总结

本文主要引用了两篇文章的内容，我进行了整理和标注，同时引入了螺旋线替代蛇形线的资料，方便查阅。

经常能看到论坛里有人在问蛇形线的问题。平时我们能看到蛇形线的地方大都是一些高速高密度板，好像带有蛇形线的板子就更高级，会画蛇形线就是高手了。网上关于蛇形线的文章也有很多，总感觉有些帖子的内容会误导新手，给人们带来困扰，人为制造一些障碍。那么我们来看看实际应用当中蛇形线到底有什么作用。

　　要弄懂蛇形线，我们先来说说PCB走线。这个概念似乎不用介绍，做硬件的工程师每天在做的不就是布线工作么。PCB上的每条走线都是硬件工程师辛苦的一条一条画出来的，这有什么可说的呢?其实就是这简单的走线也包含了很多我们平时会忽略的知识点。比如说，微带线和带状线的概念。简单地说微带线是走在PCB板表层的走线，带状线是走在PCB内层的走线。这两种线有什么区别呢?微带线的参考平面是PCB内层的地平面，走线的另一面是暴露在空气中的，这样就造成了走线四周的介电常数并不一致，比如我们常用的FR4基板介电常数是4.2左右，空气的介电常数是1。而带状线上下两面都有参考平面，整个走线是嵌入在PCB基材当中的，走线四周的介电常数是一致的。这也就造成了带状线上传输的是TEM波，而微带线传输的是准TEM波。为什么是准TEM波?那是由于在空气和PCB基材交界处的相位不匹配造成的。什么事TEM波?…………如果就这个问题深挖下去的话，讲上十天半个月也讲不完。长话短说，无论是微带线还是带状线，他们的作用无非就是用来承载信号，无论数字信号或者模拟信号。这些信号在走线里以电磁波的形式从一端传输到另一端。既然是波，那就要有速度。信号在PCB走线上的速度是多少呢?根据介电常数的区别，速度也不一样。电磁波在空气中的传播速度是大家都熟知的光速。在其他介质中的传播速度就要通过下面的公式来计算：

　　V=C/Er0.5

　　其中，V是在介质中的传播速度，C是光速，Er是介质的介电常数。通过这个公式我们就能轻松的计算出信号在PCB走线上的传输速度。比如我们把FR4基材的介电常数简单以4来带入公式计算，也就是信号在FR4基材中的传输速度是光速的一半。但是表层走线的微带线，由于一半在空气中，一半在基材中，介电常数会略有降低，这样传输速度会比带状线略快一些。常用的经验数据就是微带线的走线延时大约为140ps/inch,带状线的走线延时大约为166ps/inch。

　　前面说了这么多只有一个目的，那就是信号在PCB上的传输是有延时的!也就是说信号并不是在一个管脚发送出去以后，瞬间就通过走线传输到另一个管脚。虽然信号传输的速度很快，但是只要走线长度足够长，还是会对信号传输带来影响。比如说一个1GHz的信号，周期是1ns，上升沿或者下降沿的时间大约为周期的十分之一，那么就是100ps。如果我们的走线长度超过1inch(大约2.54厘米)，那么传输的延迟就差出了一个上升沿还要多的时间，如果走线超过8inch(大约20厘米)，那么延迟就能整整差出一个周期!原来PCB的影响这么大，我们板子上超过1inch的走线是很常见的。那么延迟会对板子正常工作有影响么?看看实际系统，如果只是一个信号，和其他信号不想关，那么延迟似乎不会有什么影响。但是，在高速系统里，这个延迟是会实实在在的发生作用的。比如我们常见的内存颗粒，是以总线形式连接的，有数据线，有地址线，有时钟，有控制线。再看看我们的视频接口，HDMI或者DVI无论几个通道，都会包含数据通道和时钟通道。或者是一些总线协议，都是数据和时钟同步传输。那么，在实际的高速系统当中，这些时钟信号和数据信号都是同步的从主芯片中发送出来的，如果我们的PCB走线设计很差，时钟信号和数据信号的长度相差很大，那么很容易就能造成数据的错误采样，那么整个系统也就不会正常工作了。要解决这个问题怎么办呢?很自然的我们就会想到，把长度短的走线加长，让同组的走线长度差不多，那不就延迟一样了?那怎么把走线加长呢?绕呗!Bingo! 终于绕回主题了，真不容易。这就是蛇形线在高速系统中的主要作用。绕线，等长。就是这么简单。蛇形线就是用来绕等长的，通过画蛇形线，我们能让同组信号实现等长，这样在接收芯片接收到信号后就不会由于PCB走线上的不同延时造成数据的错采了。蛇形线和其他PCB板上的走线一样，都是用来连接信号的，只是走的长一些而已，无它。所以蛇形线并不高深，也没多复杂。既然和其他走线一样，那么一些常用的布线规则对蛇形线也是适用的，同时由于蛇形线的特殊结构，在布线时要注意到，比如尽量让蛇形线相互平行的部分远一点，短一点，也就是俗话说的绕大弯，不要在小范围内绕的太密太小。这都有助于减小信号干扰。蛇形线由于人工的增加了线长，对信号必然是有坏的影响的，所以在系统中只要能满足时序要求，能不用就不要用。有些工程师凡是用到DDR或者用到高速信号就会去做全组等长，蛇形线满板飞，似乎这样就是更好的布线，实际上这是偷懒不负责任的表现。很多不需要绕线的地方绕线了，浪费了板子的面积不说，也降低了信号质量。我们应该根据实际的信号速度要求计算延迟的冗余度，从而确定好板子的布线规则。

　　除了等长的作用以外，看到网络上的文章中经常提到蛇形线的其他几个作用，这里也简单说一下。

　　1、 经常看到的一个说法是阻抗匹配的作用。这个说法很奇怪，PCB走线的阻抗和线宽有关，和介电常数有关，和参考平面的距离有关，什么时候和蛇形线有关了?走线的形状什么时候影响到阻抗了?不知道这个说法的源头是从哪来的。

　　2、 还有说是滤波的作用。这个作用不能说没有，但是在数字电路里面应该没有滤波的作用或者说在数字电路里面我们是不需要用到这个功能的。在射频电路里，蛇形的走线能形成一个LC电路，如果说对一定频率的信号有滤波作用那还是说的过去的。

　　3、 接收天线。这个可以有。在有些手机或者收音机上我们都能看到这个作用。有些天线就是用PCB走线来做的。

　　4、 电感。这个可以有。本来PCB上的所有走线都有寄生电感。要做一些PCB电感是可以实现的。【在后文分析中可以看到其实电感作用微乎其微】

　　5、 保险丝。这个作用让我百思不得其解。短而窄的蛇形线怎么起到保险丝的作用呢?电流一大就烧断?那板子不是废了，这个保险丝的代价太大了吧，实在想不明白会在什么样的应用中用到。【有些低价产品为省掉保险丝就在PCB中用细蛇形线代替，坏了换新的】

　　通过上面的介绍我们可以明确，在模拟或者射频电路当中，蛇形线有些特殊作用，这是微带线特性决定的。而在数字电路设计当中，蛇形线就是用来做等长实现时序匹配的作用。并且，蛇形线会对信号质量产生影响，所以在系统中应该明确系统需求，根据实际要求计算系统冗余，谨慎使用蛇形线。

 

关于蛇形线作用，这里再引用一篇作为参考：

    PCB上的任何一条走线在通过高频信号的情况下都会对该信号造成时延时，蛇形走线的主要作用是补偿“同一组相关”信号线中延时较小的部分，这些部分通常是没有或比其它信号少通过另外的逻辑处理；最典型的就是时钟线，通常它不需经过任何其它逻辑处理，因而其延时会小于其它相关信号。

    高速数字PCB板的等线长是为了使各信号的延迟差保持在一个范围内,保证系统在同一周期内读取的数据的有效性(延迟差超过一个时钟周期时会错读下一周期的数据),一般要求延迟差不超过1/4时钟周期,单位长度的线延迟差也是固定的,延迟跟线宽,线长,铜厚,板层结构有关,但线过长会增大分布电容和分布电感,使信号质量,所以时钟IC引脚一般都接RC端接,但蛇形走线并非起电感的作用,相反的,电感会使信号中的上升元中的高次谐波相移,造成信号质量恶化, 所以要求蛇形线间距最少是线宽的两倍,信号的上升时间越小就越易受分布电容和分布电感的影响.

      因为应用场合不同具不同的作用,如果蛇形走线在电脑板中出现，其主要起到一个滤波电感的作用，提高电路的抗干扰能力，电脑主机板中的蛇形走线，主要用在一些时钟信号中，如PCIClk,AGPClk，它的作用有两点：1、阻抗匹配 2、滤波电感。对一些重要信号，如INTEL HUB架构中的HUBLink,一共13根，跑233MHz，要求必须严格等长，以消除时滞造成的隐患，绕线是唯一的解决办法。一般来讲，蛇形走线的线距 >=2倍的线宽。PCI板上的蛇行线就是为了适应PCI 33MHzClock的线长要求。若在一般普通PCB板中，是一个分布参数的 LC 滤波器，还可作为收音机天线的电感线圈，短而窄的蛇形走线可做保险丝等等.【这段中有诸多错误和没有根据的说法，我用红字标出了】

 

下面引用一些有问题的说法，对其解释并贴出正确说法：

问题一：

蛇形走线只要用于高频线中,但它的作用除了信号线等长外,还可作为一个电感起滤干扰杂波作用。

解释：

蛇形线相邻两线同一时刻电流大小相等，方向相反，彼此平行，磁场相互抵消，因此电感作用微乎其微。

关于此处滤波作用的一种说法：在当今的高速传输总线中，为了精确的控制信号的访问时间，设计者在电路中增加了时钟控制器来对访问的信号进行时钟同步，即只有在时钟控制器允许的时间内，信号的访问才是有效的。在此过程中，时钟控制器起到了“滤波器”的作用。

 

问题二：

蛇形走线主要用在高速电路的设计中。因为高速电路设计时需要考虑信号完整性，数据线需要等长，所以有些线必须要走蛇形线以使他的线长和其他线一样。

关于蛇形线信号完整性的详细说法：

蛇形线蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节延时，满足系统时序设计要求。设计者首先要有这样的认识：蛇形线会破坏信号质量，改变传输延时，布线时要尽量避免使用。但实际设计中，为了保证信号有足够的保持时间，或者减小同组信号之间的时间偏移，往往不得不故意进行绕线。　　那么，蛇形线对信号传输有什么影响呢？走线时要注意些什么呢？其中最关键的两个参数就是平行耦合长度（Lp）和耦合距离（S），图1-8-21所示。很明显，信号在蛇形走线上传输时，相互平行的线段之间会发生耦合，呈差模形式，S越小，Lp越大，则耦合程度也越大。可能会导致传输延时减小，以及由于串扰而大大降低信号的质量，其机理可以参考第三章对共模和差模串扰的分析。下面是给Layout工程师处理蛇形线时的几点建议：

1． 尽量增加平行线段的距离（S），至少大于3H，H指信号走线到参考平面的距离。通俗的说就是绕大弯走线，只要S足够大，就几乎能完全避免相互的耦合效应。
2． 减小耦合长度Lp，当两倍的Lp延时接近或超过信号上升时间时，产生的串扰将达到饱和。
3． 带状线（Strip-Line）或者埋式微带线（Embedded Micro-strip）的蛇形线引起的信号传输延时小于微带走线（Micro-strip）。理论上，带状线不会因为差模串扰影响传输速率。
4． 高速以及对时序要求较为严格的信号线，尽量不要走蛇形线，尤其不能在小范围内蜿蜒走线。
5． 可以经常采用任意角度的蛇形走线，如图1-8-20中的C结构，能有效的减少相互间的耦合。
6． 高速PCB设计中，蛇形线没有所谓滤波或抗干扰的能力，只可能降低信号质量，所以只作时序匹配之用而无其它目的。
7． 有时可以考虑螺旋走线的方式进行绕线，仿真表明，其效果要优于正常的蛇形走线。

 

  

问题三：

采用蛇行线的确有助于提高主板、显卡的稳定性，有助于消除长直布线在电流通过时产生的电感现象，减轻线与线之间的串扰问题，这一点在高频率时表现得尤为明显。当然你也能够通过减小布线的密度达到相同的效果。

解释：

减轻线与线的串扰最主要的就是增加线间距，而和绕蛇行无关，蛇行线反而会带入导线自身的串扰问题【见问题二的解释】，计算机主版个部分信号对时序要求非常严格，所以必须对每种信号进行长度匹配，以满足足够的建立和保持时间，走蛇行线仅仅是和时序设计相关，和高频信号完整性无关。我看过的国外多本信号完整性著作，还有芯片组厂商的Guildline,均没有要求设计者采用蛇行线走法，当然会有走线长度要求，但这只是符合时序规范要求。

关于蛇形线替换为螺旋线的资料：