高性能PCB的SI/PI/EMC设计

【导读】随着电子产业的飞速发展，电子设备的功能越来越强，集成度越来越高，信号速率也越来越短，PCB的设计也进入了高速时代，其信号完整性（SI）问题、电源完整性（PI）问题以及电磁兼容（EMC/EMI）问题已经成为设计工程当中必须解决的核心问题。本文从高性能PCB的SI/PI/EMC仿真设计给予大家知道。

随着电子设备工作速度的不断提高，连接设备、电路板、集成电路和器件的互连系统设计越来越成为制约整个系统设计成功的关键，以高速高密度PCB设计来说，其信号完整性（SI）问题、电源完整性（PI）问题以及电磁兼容（EMC/EMI）问题已经成为设计工程当中必须解决的核心问题。随着技术的发展，越来越多的设计人员认同“高速设计就是高频设计”这一全新理念，图1很好地诠释了这一特点。

图1：“短路”特性随信号速率的变化

目前，越来越多的射频/高频设计工程师参与并指导高速互联设计，且近一半的电路设计人员发现要进行高性能SI/PI设计，就必须采用3D全波模型来处理关键互联问题。

图2：Xilinx Virtex Pro X FPGA的测试评估板

实际上，要在SI/PI/EMI方面实现高性能PCB设计仿真，仿真工具必须具备以下几点关键要求：

第一，必须采用3D全波电磁模型，尤其对关键高速走线、过孔、网络等；第二，能够仿真模拟PCB上的复杂供电网络；第三，仿真器（包括场仿真器和路仿真器）必须具备高精度、高速度、大容量的特点；第四，同时提供时域和频域仿真结果；第五，还必须能与现有的PCB设计流程相兼容。

Ansoft公司的系列电磁场仿真工具再配合专门的SI设计仿真平台DesignerSI，不仅满足上述五点要求，而且由于Ansoft场工具均采用独有的自适应网格剖分技术，因此将电磁场仿真的难度大大降低，长久以来其仿真速度、精度、容量均得到验证，是工程实用化的工具。场工具帮助互连系统的设计者精确地提取并建立互连系统的3D全波模型，随后在仿真平台Ansoft DesignerSI中进行系统验证，提取串扰、眼图、误码率等时域、频域信息，用于信号完整性/电源完整性及EMC/EMI设计与仿真。

千兆比特高速信道设计

图2是Xilinx公司基于Virtex-II Pro X FPGA的测试评估板，其工作信号速率高达10Gbps以上，Xilinx采用Ansoft系列软件进行虚拟仿真，完成了对该PCB上收/发高速差分组线的设计优化，实现高速通信。在设计初始阶段，根据实际问题将整个高速串行信道分割为相对独立的子结构或子系统，如在本例中可分为封装、PCB走线和SMA接头，对各子系统分别进行设计优化，并通过场分析抽取、建立三维全波模型，然后在DesignerSI平台上通过动态链接、协同仿真功能，将各模块链接形成一个完整的信道进行整体性能验证。这样做不仅能通过Ansoft参数化设计功能实现各关键结构的最优化设计，而且能够最大限度地提高仿真效率，比如若想通过对PCB过孔、走线等部分结构的优化调整来提高整体传输性能，那么采用这种分解的子系统形式就能帮助设计人员迅速获得所需数据，避免重复低效劳动。

图3：DesignerSI仿真结果与测试结果

利用Q2D进行PCB走线的阻抗控制分析，确定差分线的几何结构和物理参数；利用三维场仿真工具HFSS提取封装、过孔、SMA连接器、非规则走线等的全波电磁模型；在DesignerSI中链接整个信道模型分别在时频域中进行系统验证。

在DesignerSI平台上导入芯片IBIS/Spice模型，通过与Ansoft场工具的动态链接完成整个信道的总体验证，得到眼图并与实测结果对比（见图3）。