【導讀】隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子設備的功能越來越強，集成度越來越高，信號速率也越來越短，PCB的設計也進入了高速時代，其信號完整性（SI）問題、電源完整性（PI）問題以及電磁兼容（EMC/EMI）問題已經(jīng)成為設計工程當中必須解決的核心問題。本文從高性能PCB的SI/PI/EMC仿真設計給予大家知道。
隨著電子設備工作速度的不斷提高，連接設備、電路板、集成電路和器件的互連系統(tǒng)設計越來越成為制約整個系統(tǒng)設計成功的關鍵，以高速高密度PCB設計來說，其信號完整性（SI）問題、電源完整性（PI）問題以及電磁兼容（EMC/EMI）問題已經(jīng)成為設計工程當中必須解決的核心問題。隨著技術的發(fā)展，越來越多的設計人員認同“高速設計就是高頻設計”這一全新理念，圖1很好地詮釋了這一特點。
圖1：“短路”特性隨信號速率的變化
目前，越來越多的射頻/高頻設計工程師參與并指導高速互聯(lián)設計，且近一半的電路設計人員發(fā)現(xiàn)要進行高性能SI/PI設計，就必須采用3D全波模型來處理關鍵互聯(lián)問題。
圖2：Xilinx Virtex Pro X FPGA的測試評估板
實際上，要在SI/PI/EMI方面實現(xiàn)高性能PCB設計仿真，仿真工具必須具備以下幾點關鍵要求：
第一，必須采用3D全波電磁模型，尤其對關鍵高速走線、過孔、網(wǎng)絡等；第二，能夠仿真模擬PCB上的復雜供電網(wǎng)絡；第三，仿真器（包括場仿真器和路仿真器）必須具備高精度、高速度、大容量的特點；第四，同時提供時域和頻域仿真結果；第五，還必須能與現(xiàn)有的PCB設計流程相兼容。
Ansoft公司的系列電磁場仿真工具再配合專門的SI設計仿真平臺DesignerSI，不僅滿足上述五點要求，而且由于Ansoft場工具均采用獨有的自適應網(wǎng)格剖分技術，因此將電磁場仿真的難度大大降低，長久以來其仿真速度、精度、容量均得到驗證，是工程實用化的工具。場工具幫助互連系統(tǒng)的設計者精確地提取并建立互連系統(tǒng)的3D全波模型，隨后在仿真平臺Ansoft DesignerSI中進行系統(tǒng)驗證，提取串擾、眼圖、誤碼率等時域、頻域信息，用于信號完整性/電源完整性及EMC/EMI設計與仿真。
千兆比特高速信道設計
圖2是Xilinx公司基于Virtex-II Pro X FPGA的測試評估板，其工作信號速率高達10Gbps以上，Xilinx采用Ansoft系列軟件進行虛擬仿真，完成了對該PCB上收/發(fā)高速差分組線的設計優(yōu)化，實現(xiàn)高速通信。在設計初始階段，根據(jù)實際問題將整個高速串行信道分割為相對獨立的子結構或子系統(tǒng)，如在本例中可分為封裝、PCB走線和SMA接頭，對各子系統(tǒng)分別進行設計優(yōu)化，并通過場分析抽取、建立三維全波模型，然后在DesignerSI平臺上通過動態(tài)鏈接、協(xié)同仿真功能，將各模塊鏈接形成一個完整的信道進行整體性能驗證。這樣做不僅能通過Ansoft參數(shù)化設計功能實現(xiàn)各關鍵結構的最優(yōu)化設計，而且能夠最大限度地提高仿真效率，比如若想通過對PCB過孔、走線等部分結構的優(yōu)化調(diào)整來提高整體傳輸性能，那么采用這種分解的子系統(tǒng)形式就能幫助設計人員迅速獲得所需數(shù)據(jù)，避免重復低效勞動。
圖3：DesignerSI仿真結果與測試結果
利用Q2D進行PCB走線的阻抗控制分析，確定差分線的幾何結構和物理參數(shù)；利用三維場仿真工具HFSS提取封裝、過孔、SMA連接器、非規(guī)則走線等的全波電磁模型；在DesignerSI中鏈接整個信道模型分別在時頻域中進行系統(tǒng)驗證。
在DesignerSI平臺上導入芯片IBIS/Spice模型，通過與Ansoft場工具的動態(tài)鏈接完成整個信道的總體驗證，得到眼圖并與實測結果對比（見圖3）。
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數(shù)模混合電路板的PI和SI問題
一塊六層PCB板，其工作頻帶在1G以下，電源平面上分有2.5v、3.3v和5v三個電源分割，但具有完整的地平面。首先在SIwave中作諧振場分析以便了解電源/地平面在工作頻帶內(nèi)的整體特性，發(fā)現(xiàn)在工作頻帶內(nèi)（1G以下）會發(fā)生多個諧振現(xiàn)象，有14個諧振頻點（見圖4），同時在SIwave中可以觀察PCB在各諧振頻點上不同的電壓（圖5）。由于工作頻帶內(nèi)的諧振不僅會帶來如電源/地噪聲、SSN等嚴重的電源完整性問題，而且對SI同樣會產(chǎn)生嚴重影響。本例主要考慮通過在相關位置（如諧振場峰值/谷值位置處）加去耦電容來抑制諧振，從而間接改善SI性能。在SIwave中直接模擬該過程，根據(jù)前面得到的諧振分析結果直接仿真去耦電容的影響，為抑制這14個諧振點共加了26個去耦電容，仿真顯示加去耦電容后最低諧振頻點變?yōu)?.0133G，在工作帶寬以外。為了了解對SI的影響，選取了一個跨電源分割的信號網(wǎng)絡做S參數(shù)掃頻分析，比較加去耦電容前后的S參數(shù)變化曲線（圖6a/b），發(fā)現(xiàn)加去耦電容 之后，1G以下信號傳輸特性明顯得到了改善，尤其在700M左右插入損耗和回波損耗有8dB～9dB的改善。
圖4：SIwave分析得到的PCB諧振點分布
圖5：諧振頻率為0.4971G的電壓波動情況
PCB EMI問題仿真
一塊八層PCB，其中黃色走線為PCB上的時鐘信號線，每根時鐘線都與一激勵源相連，為了了解該PCB的電磁輻射特性，首先在SIwave中設置掃頻分析可以清楚觀察到PCB板在各頻點上的電壓波動情況，如圖7所示。
圖6：加去耦電容前a和后b的信號網(wǎng)絡IOA8的插入損耗和回波損耗曲線
圖7：PCB在不同的頻率上的電壓波動圖
圖8：1G下PCB的電壓波動圖和空間場分布
隨后，在SIwave中計算PCB在空間的EMI輻射情況。以1G為例，圖8為PCB元件正面觀察到的電壓波動情況，通過SIwave和Ansoft HFSS之間的動態(tài)鏈接，能夠計算PCB板在三維空間任意位置的電磁場輻射數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)虛擬EMI測試。圖8還給出了距離PCB約500mil處的電場分布云圖，對比空間電場分布云圖與PCB上電壓波動云圖可以發(fā)現(xiàn)：PCB上電壓波峰/波谷對應的近區(qū)輻射場數(shù)值大，這也與實際情況吻合。同時根據(jù)需要可在 SIwave中直接畫出各個頻點上PCB板在遠區(qū)的輻射場分布。
高速PCB板級設計無論SI還是PI，都是十分具有挑戰(zhàn)性的，而由此產(chǎn)生的EMI問題則更為復雜。采用對虛擬原型進行仿真的方法替代反復試驗的設計方法來優(yōu)化電路板的設計，可以有效縮短設計周期并且節(jié)約設計成本。
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