【導讀】隨著電子產業的飛速發展，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設計越來越成為制約整個系統設計成功的關鍵，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）問題已經成為設計工程當中必須解決的核心問題。隨著技術的發展，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設計，且近一半的電路設計人員發現要進行高性能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、網絡等；第二，能夠仿真模擬PCB上的復雜供電網絡；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的設計者精確地提取并建立互連系統的3D全波模型，隨后在仿真平臺Ansoft DesignerSI中進行系統驗證，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/發高速差分組線的設計優化，實現高速通信。在設計初始階段，根據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，如在本例中可分為封裝、PCB走線和SMA接頭，對各子系統分別進行設計優化，并通過場分析抽取、建立三維全波模型，然后在DesignerSI平臺上通過動態鏈接、協同仿真功能，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參數化設計功能實現各關鍵結構的最優化設計，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化調整來提高整體傳輸性能，那么采用這種分解的子系統形式就能幫助設計人員迅速獲得所需數據，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；利用三維場仿真工具HFSS提取封裝、過孔、SMA連接器、非規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的整體特性，發現在工作頻帶內（1G以下）會發生多個諧振現象，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為1.0133G，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絡做S參數掃頻分析，比較加去耦電容前后的S參數變化曲線（圖6a/b），發現加去耦電容 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之間的動態鏈接，能夠計算PCB板在三維空間任意位置的電磁場輻射數據，從而實現虛擬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現：PCB上電壓波峰/波谷對應的近區輻射場數值大，這也與實際情況吻合。同時根據需要可在 SIwave中直接畫出各個頻點上PCB板在遠區的輻射場分布。
高速PCB板級設計無論SI還是PI，都是十分具有挑戰性的，而由此產生的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化電路板的設計，可以有效縮短設計周期并且節約設計成本。
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