高速高密度多层PCB的SI/EMI

2017-03-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

高速高密度多层PCB的SI/EMC(信号完整性/电磁兼容)问题长久以来一直是设计师不得不面对的最大设计挑战。目前随着主流的MCU、DSP和处理器大多工作在100MHz以上(少数甚至已工作到GHz级以上),而且越来越多的高速I/O端口和RF前端也都工作在GHz级以上,再加上应用系统的小型化趋势导致的PCB空间缩小问题,这些因素均使得今天的高速高密度PCB设计变得越来越普遍。不少工业分析家也指出,进入二十一世纪以后,超过80%的多层PCB设计都是针对高速电路的。

高速信号会导致PCB上的长互连走线产生传输线效应,它使得PCB设计师必须考虑传输线的延时和阻抗匹配问题,因为接收端和驱动端的阻抗不匹配都会在传输线上产生反射信号,而这会对信号完整性产生很大的影响。另一方面,高密度PCB上的高速信号或时钟走线会对间距越来越小的相邻走线产生很难准确量化的串扰问题,从而产生恼人的EMC问题。SI和EMC问题均会导致PCB设计过程的反复,从而导致产品的开发周期一再延误。

一般来说,高速高密度PCB需要复杂的阻抗受控布线策略才能确保电路正常工作。随着新型器件的电压越来越低、PCB密度越来越大、边沿转换速率越来越快、以及开发周期越来越短,SI/EMC挑战日趋严峻。为了满足这一挑战,今天的PCB设计师必须采用新的方法来确保你的PCB设计是可工作的和可制造的。采用过去的设计规则已经无法满足今天的时序和信号完整性要求,现在必须采取新的包含仿真功能的工具才能确保设计成功。

目前业界可用于帮助解决这类SI/EMC问题的主要PCB设计工具有Cadence的AllegroPCBSI 230/630和EMControl、Mentor的HyperLynx和Quiet Expert、图研(Zuken)的Hot-Stage和EMC Adviser、以及Altium的PCB Designer和P-CAD。

Cadence的Allegro PCB SI 230/630提供了一种可伸缩的、完整的和集成的解决方案,它是一种完整的SI/PI(功率完整性)/EMI问题的协同解决方案。它可用于在高速PCB设计周期的每个阶段探索和解决与电气性能相关的问题。

PCB是系统中主要的辐射源,控制系统中所有PCB的EMI辐射、提高系统搞干扰的能力是确保产品通过EMC测试的最好方法。具体来说,PCB上的EMI问题是由多种多样的噪声源引起的,如信号噪声(反射和串扰)、电源/地噪声、以及天线(悬空线)等等。为了有效减少PCB上的EMI,这些信号的、器件的、电源/地平面的以及天线的噪声源都必须加以考虑。由于信号噪声源是SI问题、电源/地噪声源是PI问题,因此最终的EMC问题的解决必须依靠正确的SI、PI和EMI设计,而不仅仅只是考虑EMC的问题。Cadence亚太区高速技术中心技术顾问钟章民表示。

他接着说:“在设计中就通过仿真和约束解决好SI和PI问题,这样可以在实际上控制EMI问题的根源,既减少了后期由于SI/PI/EMI问题而查错和改板的周期,也降低了产品通不过EMC测试的风险。”

不同的实际设计会有不同的EMC特殊要求,这可以通过EMC工程师设置约束来实现。这些约束有些可以在Allegro中的约束管理器中设置,有些不能或实时检查非常耗时的约束条件则需要进行后期检查。手工进行这种检查是一件非常费时费力的事情,为此Cadence提供了EMControl工具,它提供了自动批处理检查这些EMI/SI/PI规则并进行交互式设计的方法,而且客户可以在此平台上开发适合自己的各种规则。

市场上现有的一些EMC工具可以帮助工程师解决一些EMI的问题,然而,目前并没有一种能完全并准确地仿真EMI效果的工具。目前市场上的EMI仿真工具既费时费力、成本高昂,也没有从根本上解决系统的EMC问题。如果PCB设计师能够真正将EMC问题放到设计阶段来考虑,那么不仅可以获得更好的EMC设计效果,而且可以降低设计成本,从而大大提高了产品通过EMC测试的机会。

Cadence高级技术市场拓展经理穆珍博士也强调指出:“尽管其他的一些EDA厂商也推出了类似EMControl专家系统的规则检查方案,但对客户来讲,如何将SI、PI以及EMI的问题在设计阶段就协同考虑并加以严格控制,已经成为业界主流的、高性价比的设计方法和系统EMC问题解决方案。在这一点上,目前只有Cadence的Allegro PCB SI 230/630工具才能够在一个平台上解决和完成。”

Mentor声称,其HyperLynx高速工具套件可用在任何一个设计流程中分析信号完整性、消除串扰和在设计早期检测出EMC问题,从而允许PCB设计师在第一时间发现和消除SI/EMC问题。其EMC仿真分析工具Quiet Expert则主要采用了一种“专家系统”算法来寻找和发现PCB上的EMC问题,它可高亮显示存在EMC问题的布线网络,并提供实用的建议帮助用户去解决相应的EMC问题。由于它通过使用复杂的算法来避免进行费时的仿真和建模,因此反应速度很快。

图研的Hot-Stage是一个功能强大的高速电路SI/EMC/EMI系统分析软件包,它由约束管理器、网络拓朴编辑器、虚拟原型分析编辑器、仿真器、仿真库编辑器和原型布局布线编辑器组成,它为PCB设计师提供了一个工程化的虚拟原型设计环境。其中的仿真器可以完成时域和频域的高精度电磁场仿真分析,并基于PCB的基本设置和电路设定参数解算出PCB的各种电路参数,如传输线参数、特征阻抗参数、PCB网线的串扰、以及与信号相关的各种特征值。与此同时,它也可实现基于约束的布局布线,完成对各种传输线匹配网络中各项参数的优化,以设计出最优的匹配网络。

EMC Adviser是基于专家设计规则的EMC分析工具,它基于图研的EMC定量仿真分析工具EMC Work bench开发而成。图研将EMC Work bench的精髓以及有些不可能用定量仿真工具检查和分析出来EMI/EMC问题的走线方式,总结成了24条专家设计规则,这使得目前大多数并不具备电磁干扰/电磁兼容理论知识的普通PCB设计师也能够根据这些规则快速方便地解决高速高密度PCB设计中出现的EMC问题。

而专业的EMC Work bench要求PCB设计师必须懂得SI/EMC的基本理论和它们的实际应用、以及正确的器件仿真模型和合理的仿真边界条件设置,而这些基本要求往往是我们今天的许多PCB设计师所缺乏的。图研株式会社中国业务拓展部总经理Kenji Yamamoto介绍道,EMC Work bench是一个非常专业和复杂的EMC分析工具,以前即便在日本也只有2%左右的工程师能够独立熟练地使用这套工具。

总的来说,“Quiet Expert和HyperLynx并不是非常专业和有深度的EMI仿真系统,它们跟图研的EMC Work bench是无法相提并论的。”Yamamoto表示。

Kenji Yamamoto自信地表示:“目前全球唯有图研一家真正能够将复杂的EMI/EMC仿真工具以EMC设计规则的方式集成到PCB设计工具中。借助EMC Adviser,现在99%的普通PCB设计人员也可以解决高速高密度PCB上的EMC问题。”

不过,他也强调:“EMC Adviser不可能一次帮助PCB设计师解决所有的EMC问题,它只能帮助他们有效地降低设计反复次数,一般可从以前的10次降低到4次。”

需要指出的是,EMC Adviser不可能完全解决应用系统的EMC问题,它只能解决因PCB布局布线而引起的EMC问题,因为全应用系统的EMC问题还涉及到电路设计、I/O和功率器件选择、功率分配、输出端口配置、以及机械设计。图研株式会社华南区技术经理李鸿润补充道。

他接着说,今后解决PCBEMI问题的一大发展趋势是用柔性PCB来连接具有不同层级的PCB硬板,这可省掉EMI辐射较大的输出端口和I/O器件,从而有效地改善EMC问题、提高全系统的可靠性和节省系统成本。

不过,尽管EMC设计规则的出现和直观的系统提示及建议使SI/EMC问题的解决不再像以前那样困难,但实际上SI/EMC仿真分析工具使用起来还是非常困难的,很少有用户能够独立掌握和真正用好它。为了让客户充分高效地使用起来,专业的系统咨询服务常常是必须的。

Yamamoto强调指出:“与竞争对手相比,我们的另一个优势是,图研不仅提供SI/EMC分析软件工具,而且还可向客户提供专家咨询服务。这是我们非常独特的技术优势,现在图研在中国、日本和德国有许多资深的SI/EMC专家现场为客户提供服务。”

需要指出的是,尽管Cadence声称Allegro PCB SI 630足以应对今天的几个GHz级的PCB设计挑战,但大多数业内人士认为,GHz级以下的PCB设计可以采用上述工具来实现,但对于工作频率超过GHz的电路,一般需要采用其它高频设计工具,如安捷??司的EEsof 和Ansoft公司的Ansoft Designer、HFSS和Nexxim。

图研的Kenji Yamamoto也坦率地承认了这一点。“图研新一代的PCB全集成设计工具套件CR-5000支持的电路最高工作频率为GHz左右,支持的PCB层数则无限制。一般来说,超过GHz的电路需要采用Ansoft和安捷伦的射频分析软件来做,因为此时电路的特性已接近射频。”他说,“CR-5000支持原理图和版图级设计分割和集成,这使得有可能把整块PCB分成高速电路部分、逻辑部分和电源部分来做设计分割,然后再在版图级集成起来。”

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