高速高密度多層PCB的SI/EMI

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

高速高密度多層PCB的SI/EMC(信號完整性/電磁兼容)問題長久以來一直是設(shè)計師不得不面對的最大設(shè)計挑戰(zhàn)。目前隨著主流的MCU、DSP和處理器大多工作在100MHz以上(少數(shù)甚至已工作到GHz級以上),而且越來越多的高速I/O端口和RF前端也都工作在GHz級以上,再加上應(yīng)用系統(tǒng)的小型化趨勢導(dǎo)致的PCB空間縮小問題,這些因素均使得今天的高速高密度PCB設(shè)計變得越來越普遍。不少工業(yè)分析家也指出,進(jìn)入二十一世紀(jì)以后,超過80%的多層PCB設(shè)計都是針對高速電路的。

高速信號會導(dǎo)致PCB上的長互連走線產(chǎn)生傳輸線效應(yīng),它使得PCB設(shè)計師必須考慮傳輸線的延時和阻抗匹配問題,因為接收端和驅(qū)動端的阻抗不匹配都會在傳輸線上產(chǎn)生反射信號,而這會對信號完整性產(chǎn)生很大的影響。另一方面,高密度PCB上的高速信號或時鐘走線會對間距越來越小的相鄰走線產(chǎn)生很難準(zhǔn)確量化的串?dāng)_問題,從而產(chǎn)生惱人的EMC問題。SI和EMC問題均會導(dǎo)致PCB設(shè)計過程的反復(fù),從而導(dǎo)致產(chǎn)品的開發(fā)周期一再延誤。

一般來說,高速高密度PCB需要復(fù)雜的阻抗受控布線策略才能確保電路正常工作。隨著新型器件的電壓越來越低、PCB密度越來越大、邊沿轉(zhuǎn)換速率越來越快、以及開發(fā)周期越來越短,SI/EMC挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻。為了滿足這一挑戰(zhàn),今天的PCB設(shè)計師必須采用新的方法來確保你的PCB設(shè)計是可工作的和可制造的。采用過去的設(shè)計規(guī)則已經(jīng)無法滿足今天的時序和信號完整性要求,現(xiàn)在必須采取新的包含仿真功能的工具才能確保設(shè)計成功。

目前業(yè)界可用于幫助解決這類SI/EMC問題的主要PCB設(shè)計工具有Cadence的AllegroPCBSI 230/630和EMControl、Mentor的HyperLynx和Quiet Expert、圖研(Zuken)的Hot-Stage和EMC Adviser、以及Altium的PCB Designer和P-CAD。

Cadence的Allegro PCB SI 230/630提供了一種可伸縮的、完整的和集成的解決方案,它是一種完整的SI/PI(功率完整性)/EMI問題的協(xié)同解決方案。它可用于在高速PCB設(shè)計周期的每個階段探索和解決與電氣性能相關(guān)的問題。

PCB是系統(tǒng)中主要的輻射源,控制系統(tǒng)中所有PCB的EMI輻射、提高系統(tǒng)搞干擾的能力是確保產(chǎn)品通過EMC測試的最好方法。具體來說,PCB上的EMI問題是由多種多樣的噪聲源引起的,如信號噪聲(反射和串?dāng)_)、電源/地噪聲、以及天線(懸空線)等等。為了有效減少PCB上的EMI,這些信號的、器件的、電源/地平面的以及天線的噪聲源都必須加以考慮。由于信號噪聲源是SI問題、電源/地噪聲源是PI問題,因此最終的EMC問題的解決必須依靠正確的SI、PI和EMI設(shè)計,而不僅僅只是考慮EMC的問題。Cadence亞太區(qū)高速技術(shù)中心技術(shù)顧問鐘章民表示。

他接著說:“在設(shè)計中就通過仿真和約束解決好SI和PI問題,這樣可以在實際上控制EMI問題的根源,既減少了后期由于SI/PI/EMI問題而查錯和改板的周期,也降低了產(chǎn)品通不過EMC測試的風(fēng)險?！?

不同的實際設(shè)計會有不同的EMC特殊要求,這可以通過EMC工程師設(shè)置約束來實現(xiàn)。這些約束有些可以在Allegro中的約束管理器中設(shè)置,有些不能或?qū)崟r檢查非常耗時的約束條件則需要進(jìn)行后期檢查。手工進(jìn)行這種檢查是一件非常費時費力的事情,為此Cadence提供了EMControl工具,它提供了自動批處理檢查這些EMI/SI/PI規(guī)則并進(jìn)行交互式設(shè)計的方法,而且客戶可以在此平臺上開發(fā)適合自己的各種規(guī)則。

市場上現(xiàn)有的一些EMC工具可以幫助工程師解決一些EMI的問題,然而,目前并沒有一種能完全并準(zhǔn)確地仿真EMI效果的工具。目前市場上的EMI仿真工具既費時費力、成本高昂,也沒有從根本上解決系統(tǒng)的EMC問題。如果PCB設(shè)計師能夠真正將EMC問題放到設(shè)計階段來考慮,那么不僅可以獲得更好的EMC設(shè)計效果,而且可以降低設(shè)計成本,從而大大提高了產(chǎn)品通過EMC測試的機(jī)會。

Cadence高級技術(shù)市場拓展經(jīng)理穆珍博士也強(qiáng)調(diào)指出:“盡管其他的一些EDA廠商也推出了類似EMControl專家系統(tǒng)的規(guī)則檢查方案,但對客戶來講,如何將SI、PI以及EMI的問題在設(shè)計階段就協(xié)同考慮并加以嚴(yán)格控制,已經(jīng)成為業(yè)界主流的、高性價比的設(shè)計方法和系統(tǒng)EMC問題解決方案。在這一點上,目前只有Cadence的Allegro PCB SI 230/630工具才能夠在一個平臺上解決和完成?！?

Mentor聲稱,其HyperLynx高速工具套件可用在任何一個設(shè)計流程中分析信號完整性、消除串?dāng)_和在設(shè)計早期檢測出EMC問題,從而允許PCB設(shè)計師在第一時間發(fā)現(xiàn)和消除SI/EMC問題。其EMC仿真分析工具Quiet Expert則主要采用了一種“專家系統(tǒng)”算法來尋找和發(fā)現(xiàn)PCB上的EMC問題,它可高亮顯示存在EMC問題的布線網(wǎng)絡(luò),并提供實用的建議幫助用戶去解決相應(yīng)的EMC問題。由于它通過使用復(fù)雜的算法來避免進(jìn)行費時的仿真和建模,因此反應(yīng)速度很快。

圖研的Hot-Stage是一個功能強(qiáng)大的高速電路SI/EMC/EMI系統(tǒng)分析軟件包,它由約束管理器、網(wǎng)絡(luò)拓樸編輯器、虛擬原型分析編輯器、仿真器、仿真庫編輯器和原型布局布線編輯器組成,它為PCB設(shè)計師提供了一個工程化的虛擬原型設(shè)計環(huán)境。其中的仿真器可以完成時域和頻域的高精度電磁場仿真分析,并基于PCB的基本設(shè)置和電路設(shè)定參數(shù)解算出PCB的各種電路參數(shù),如傳輸線參數(shù)、特征阻抗參數(shù)、PCB網(wǎng)線的串?dāng)_、以及與信號相關(guān)的各種特征值。與此同時,它也可實現(xiàn)基于約束的布局布線,完成對各種傳輸線匹配網(wǎng)絡(luò)中各項參數(shù)的優(yōu)化,以設(shè)計出最優(yōu)的匹配網(wǎng)絡(luò)。

EMC Adviser是基于專家設(shè)計規(guī)則的EMC分析工具,它基于圖研的EMC定量仿真分析工具EMC Work bench開發(fā)而成。圖研將EMC Work bench的精髓以及有些不可能用定量仿真工具檢查和分析出來EMI/EMC問題的走線方式,總結(jié)成了24條專家設(shè)計規(guī)則,這使得目前大多數(shù)并不具備電磁干擾/電磁兼容理論知識的普通PCB設(shè)計師也能夠根據(jù)這些規(guī)則快速方便地解決高速高密度PCB設(shè)計中出現(xiàn)的EMC問題。

而專業(yè)的EMC Work bench要求PCB設(shè)計師必須懂得SI/EMC的基本理論和它們的實際應(yīng)用、以及正確的器件仿真模型和合理的仿真邊界條件設(shè)置,而這些基本要求往往是我們今天的許多PCB設(shè)計師所缺乏的。圖研株式會社中國業(yè)務(wù)拓展部總經(jīng)理Kenji Yamamoto介紹道,EMC Work bench是一個非常專業(yè)和復(fù)雜的EMC分析工具,以前即便在日本也只有2%左右的工程師能夠獨立熟練地使用這套工具。

總的來說,“Quiet Expert和HyperLynx并不是非常專業(yè)和有深度的EMI仿真系統(tǒng),它們跟圖研的EMC Work bench是無法相提并論的?！盰amamoto表示。

Kenji Yamamoto自信地表示:“目前全球唯有圖研一家真正能夠?qū)?fù)雜的EMI/EMC仿真工具以EMC設(shè)計規(guī)則的方式集成到PCB設(shè)計工具中。借助EMC Adviser,現(xiàn)在99%的普通PCB設(shè)計人員也可以解決高速高密度PCB上的EMC問題。”

不過,他也強(qiáng)調(diào):“EMC Adviser不可能一次幫助PCB設(shè)計師解決所有的EMC問題,它只能幫助他們有效地降低設(shè)計反復(fù)次數(shù),一般可從以前的10次降低到4次。”

需要指出的是,EMC Adviser不可能完全解決應(yīng)用系統(tǒng)的EMC問題,它只能解決因PCB布局布線而引起的EMC問題,因為全應(yīng)用系統(tǒng)的EMC問題還涉及到電路設(shè)計、I/O和功率器件選擇、功率分配、輸出端口配置、以及機(jī)械設(shè)計。圖研株式會社華南區(qū)技術(shù)經(jīng)理李鴻潤補(bǔ)充道。

他接著說,今后解決PCBEMI問題的一大發(fā)展趨勢是用柔性PCB來連接具有不同層級的PCB硬板,這可省掉EMI輻射較大的輸出端口和I/O器件,從而有效地改善EMC問題、提高全系統(tǒng)的可靠性和節(jié)省系統(tǒng)成本。

不過,盡管EMC設(shè)計規(guī)則的出現(xiàn)和直觀的系統(tǒng)提示及建議使SI/EMC問題的解決不再像以前那樣困難,但實際上SI/EMC仿真分析工具使用起來還是非常困難的,很少有用戶能夠獨立掌握和真正用好它。為了讓客戶充分高效地使用起來,專業(yè)的系統(tǒng)咨詢服務(wù)常常是必須的。

Yamamoto強(qiáng)調(diào)指出:“與競爭對手相比,我們的另一個優(yōu)勢是,圖研不僅提供SI/EMC分析軟件工具,而且還可向客戶提供專家咨詢服務(wù)。這是我們非常獨特的技術(shù)優(yōu)勢,現(xiàn)在圖研在中國、日本和德國有許多資深的SI/EMC專家現(xiàn)場為客戶提供服務(wù)。”

需要指出的是,盡管Cadence聲稱Allegro PCB SI 630足以應(yīng)對今天的幾個GHz級的PCB設(shè)計挑戰(zhàn),但大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,GHz級以下的PCB設(shè)計可以采用上述工具來實現(xiàn),但對于工作頻率超過GHz的電路,一般需要采用其它高頻設(shè)計工具,如安捷??司的EEsof 和Ansoft公司的Ansoft Designer、HFSS和Nexxim。

圖研的Kenji Yamamoto也坦率地承認(rèn)了這一點?！皥D研新一代的PCB全集成設(shè)計工具套件CR-5000支持的電路最高工作頻率為GHz左右,支持的PCB層數(shù)則無限制。一般來說,超過GHz的電路需要采用Ansoft和安捷倫的射頻分析軟件來做,因為此時電路的特性已接近射頻?！彼f,“CR-5000支持原理圖和版圖級設(shè)計分割和集成,這使得有可能把整塊PCB分成高速電路部分、邏輯部分和電源部分來做設(shè)計分割,然后再在版圖級集成起來?！?

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