ANSYS 高速PCB设计解决方案

2016-11-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

一、高速PCB板级设计面临的挑战
在PCB设计中,高速电路的布局布线和质量分析无疑是工程师们讨论的焦点。尤其是如今的电路工作频率越来越高,例如一般的数字信号处理(DSP)电路板应用频率在150-200MHz是很常见的,CPU板在实际应用中达到500MHz以上已经不足为奇,在通信行业中GHz电路的设计已经十分普及。所有这些PCB板的设计,往往是采用多层板技术来实现。在多层板设计中不可避免地为采用电源层的设计技术。而在电源层设计中,往往由于多种类的电源混合应用而使得设计变为十分复杂。
基于上述原因,目前的高速PCB板级设计主要面临以下挑战:
1. 如何设计多种类的电源分块系统?电源层的合理分割和共地问题是PCB是否稳定的一个十分重要的因素;
2. 如何设计去耦电容?利用去耦电容来消除开关噪声是常用的手段,但如何确定其电容量?电容放置在什么位置?什么时候采用什么类型的电容等等;
3. 如何消除地弹噪声?地弹噪声是如何影响和干扰有用信号的;
4. 回路(Return Path)噪声如何消除?很多情况下,回路设计不合理是电路不工作的关键,而回路设计往往是工程师最觉得束手无策的工作;
5. 如何合理设计电流的分配?尤其是地电层中电流的分配设计十分困难,而总电流在PCB板中的分配如果不均匀,会直接明显地影响PCB板的不稳定工作。
另外高速PCB板设计中还有一些常见的如上冲,下冲,振铃(振荡),时延,阻抗匹配,毛刺等等有关信号的奇变问题,但这些问题和上述问题是不可分割的。它们之间是因果关系。
二、 ANSYS的高速PCB板级解决方案
基于上述挑战,结合ANSYS在解决高速PCB板级设计方面的专业技术优势,ANSYS给出的高速PCB板级设计的解决方案如下:

此平台包括PCB专用板级分析工具SIwave,全波三维电磁场工具HFSS,任意结构三维等效RLC参数自动提取工作Q3D及模型导入接口软件Alinks,可以解决各种高速PCB板级设计的问题。该解决方案的具体功能特点如下:
1.采用三维全波电磁场方法,仿真结果更精确;
2.可以在一个界面中完成PCB的电源完整性和信号完整性分析;
3.可以自动抽取各种电路结构的RLC等效模型,生成相应的SPICE电路;
4.支持各种主流CAD数据;
5.可以将电磁场和电路联合起来,完成ANSYS高效的场路协同分析。
三、典型应用
1. SIwave:PCB板级信号完整性/功率传输全波分析
SIwave采用三维全波电磁场方法分析整板级PCB或整个封装的全波效应,可快速仿真整个电源和地结构的谐振频率;板上放置去耦电容的作用及布局;改变信号层或分开供电板引入的阻抗不连续性;信号线与电源/地之间的噪声耦合;传输延迟、过冲和下冲、反射和振铃等时域效应;本征模和S传输参数等频域现象。

2. HFSS:高速PCB整板电磁场分析

HFSS依据其独有的模式→节点和超宽带插值扫频专有技术,利用有限元(FEM)快速精确求解整板级PCB或整个封装结构的所有电磁特性,真正全面考虑(准)静态仿真中无法分析的由失配、祸合、辐射及介质损耗等引起的电磁场效应,从而得到精确的频域高频特性(如S参数等) ,并生成全波SPCIE模型以支持高频/高速/高密度PCB应用中实现精确的Spice宽带电路仿真设计。

3. Q3D:自动抽取任意三维结构RLC矩阵
通过三维电磁场专有求解技术, 提取任意二/三维结构的IC封装、连接器、过孔、信号线、复杂的电源/地结构以及各种分立部件的精确RLC寄生参数,自动生成Spice等效电路并可在内置的Spice仿真器中进行电路仿真,得到精确的时域特性波形。

4. Designer:电路/系统/平面电磁场协同仿真
Designer集成了电路、系统及三维平面电磁场可直接仿真分析PCB的电磁特性, 并且通过动态调用HFSS对任意三维器件(如无源部件、连接器等〉进行协同仿真。将电磁场问题置于整个电路或系统中来进行全面精确设计. 以研究设计性能的变化对相关电路和系统影响。