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

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計師不得不面對的最大設計挑戰(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,再加上應用系統(tǒng)的小型化趨勢導致的PCB空間縮小問題,這些因素均使得今天的高速高密度PCB設計變得越來越普遍。不少工業(yè)分析家也指出,進入二十一世紀以后,超過80%的多層PCB設計都是針對高速電路的。

高速信號會導致PCB上的長互連走線產生傳輸線效應,它使得PCB設計師必須考慮傳輸線的延時和阻抗匹配問題,因為接收端和驅動端的阻抗不匹配都會在傳輸線上產生反射信號,而這會對信號完整性產生很大的影響。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生很難準確量化的串擾問題,從而產生惱人的EMC問題。SI和EMC問題均會導致PCB設計過程的反復,從而導致產品的開發(fā)周期一再延誤。

一般來說,高速高密度PCB需要復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)日趨嚴峻。為了滿足這一挑戰(zhàn),今天的PCB設計師必須采用新的方法來確保你的PCB設計是可工作的和可制造的。采用過去的設計規(guī)則已經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設計周期的每個階段探索和解決與電氣性能相關的問題。

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(反射和串擾)、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設計,而不僅僅只是考慮EMC的問題。Cadence亞太區(qū)高速技術中心技術顧問鐘章民表示。

他接著說:“在設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,也降低了產品通不過EMC測試的風險。”

不同的實際設計會有不同的EMC特殊要求,這可以通過EMC工程師設置約束來實現(xiàn)。這些約束有些可以在Allegro中的約束管理器中設置,有些不能或實時檢查非常耗時的約束條件則需要進行后期檢查。手工進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)則并進行交互式設計的方法,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設計師能夠真正將EMC問題放到設計階段來考慮,那么不僅可以獲得更好的EMC設計效果,而且可以降低設計成本,從而大大提高了產品通過EMC測試的機會。

Cadence高級技術市場拓展經理穆珍博士也強調指出:“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的問題在設計階段就協(xié)同考慮并加以嚴格控制,已經成為業(yè)界主流的、高性價比的設計方法和系統(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計流程中分析信號完整性、消除串擾和在設計早期檢測出EMC問題,從而允許PCB設計師在第一時間發(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問題的布線網絡,并提供實用的建議幫助用戶去解決相應的EMC問題。由于它通過使用復雜的算法來避免進行費時的仿真和建模,因此反應速度很快。

圖研的Hot-Stage是一個功能強大的高速電路SI/EMC/EMI系統(tǒng)分析軟件包,它由約束管理器、網絡拓樸編輯器、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設計師提供了一個工程化的虛擬原型設計環(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的基本設置和電路設定參數(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網線的串擾、以及與信號相關的各種特征值。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絡中各項參數(shù)的優(yōu)化,以設計出最優(yōu)的匹配網絡。

EMC Adviser是基于專家設計規(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,總結成了24條專家設計規(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設計中出現(xiàn)的EMC問題。

而專業(yè)的EMC Work bench要求PCB設計師必須懂得SI/EMC的基本理論和它們的實際應用、以及正確的器件仿真模型和合理的仿真邊界條件設置,而這些基本要求往往是我們今天的許多PCB設計師所缺乏的。圖研株式會社中國業(yè)務拓展部總經理Kenji Yamamoto介紹道,EMC Work bench是一個非常專業(yè)和復雜的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。”Yamamoto表示。

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

不過,他也強調:“EMC Adviser不可能一次幫助PCB設計師解決所有的EMC問題,它只能幫助他們有效地降低設計反復次數(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,因為全應用系統(tǒng)的EMC問題還涉及到電路設計、I/O和功率器件選擇、功率分配、輸出端口配置、以及機械設計。圖研株式會社華南區(qū)技術經理李鴻潤補充道。

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)咨詢服務常常是必須的。

Yamamoto強調指出:“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。這是我們非常獨特的技術優(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?！?

需要指出的是,盡管Cadence聲稱Allegro PCB SI 630足以應對今天的幾個GHz級的PCB設計挑戰(zhàn),但大多數(shù)業(yè)內人士認為,GHz級以下的PCB設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也坦率地承認了這一點?！皥D研新一代的PCB全集成設計工具套件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計分割,然后再在版圖級集成起來?！?

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