高(gāo)速PCB設計(jì)的SI/EMI問題如何解決？
高(gāo)速高(gāo)密度多(duō)層PCB闆的SI/EMC(訊号完整性/電(diàn)磁相容)問題長久以來(lái)一直是設計(jì)者所面對的最大(dà)挑戰。然而，随着主流的MCU、DSP和(hé)處理(lǐ)器(qì)大(dà)多(duō)工作(zuò)在100MHz以上(shàng)(有(yǒu)些(xiē)甚至工作(zuò)于GHz級以上(shàng))，以及越來(lái)越多(duō)的高(gāo)速I/O埠和(hé)RF前端也都工作(zuò)在GHz級以上(shàng)，再加上(shàng)應用系統的小(xiǎo)型化趨勢導緻的PCB空(kōng)間(jiān)縮小(xiǎo)問題，使得(de)目前的高(gāo)速高(gāo)密度PCB闆設計(jì)已經變得(de)越來(lái)越普遍。許多(duō)産業分析師(shī)指出，在進入21世紀以後，80%以上(shàng)的多(duō)層PCB設計(jì)都将會(huì)針對高(gāo)速電(diàn)路。
高(gāo)速訊号會(huì)導緻PCB闆上(shàng)的長互連走線産生(shēng)傳輸線效應，它使得(de)PCB設計(jì)者必須考慮傳輸線的延遲和(hé)阻抗搭配問題，因為(wèi)接收端和(hé)驅動端的阻抗不搭配都會(huì)在傳輸線上(shàng)産生(shēng)反射訊号，而嚴重影(yǐng)響到訊号的完整性。另一方面，高(gāo)密度PCB闆上(shàng)的高(gāo)速訊号或時(shí)脈走線則會(huì)對間(jiān)距越來(lái)越小(xiǎo)的相鄰走線産生(shēng)很(hěn)難淮确量化的串擾與EMC問題。SI和(hé)EMC的問題将會(huì)導緻PCB設計(jì)過程的反覆，而使得(de)産品的開(kāi)發周期一再延誤。
一般來(lái)說，高(gāo)速高(gāo)密度PCB需要複雜的阻抗受控布線策略才能确保電(diàn)路正常工作(zuò)。随着新型元件的電(diàn)壓越來(lái)越低(dī)、PCB闆密度越來(lái)越大(dà)、邊緣轉換速率越來(lái)越快，以及開(kāi)發周期越來(lái)越短(duǎn)，SI/EMC挑戰便日趨嚴峻。為(wèi)了達到這個(gè)挑戰的要求，目前的PCB設計(jì)者必須采用新的方法來(lái)确保其PCB設計(jì)的可(kě)行(xíng)性與可(kě)製造性。過去的傳統設計(jì)規則已經無法滿足今日的時(shí)序和(hé)訊号完整性要求，而必須采取包含模拟功能的新款工具才足以确保設計(jì)成功。
目前業界适用于解決這類SI/EMC問題的主要PCB設計(jì)工具有(yǒu)Cadence的Allegro PCB SI 230/630和(hé)EMControl、明(míng)導國際的HyperLynx和(hé)Quiet Expert、圖研(Zuken)的Hot-Stage和(hé)EMC Adviser，以及Altium的PCB Designer和(hé)P-CAD。
Cadence的Allegro PCB SI 230/630提供了一種彈性化且整合的解決方案，它是一種完整的SI/PI(功率完整性)/EMI問題的協同解決方案，适用于高(gāo)速PCB設計(jì)周期的每個(gè)階段，并解決與電(diàn)氣性能相關的問題。
PCB是系統中主要的輻射源，因此，控制(zhì)系統中所有(yǒu)PCB的EMI輻射，以提高(gāo)系統抗幹擾的能力是确保産品通(tōng)過EMC測試的最好方法。具體(tǐ)來(lái)說，PCB上(shàng)的EMI問題是由多(duō)種噪音(yīn)源引起的，如訊号噪音(yīn)(反射和(hé)串擾)、電(diàn)源/接地噪音(yīn)與天線等。為(wèi)了有(yǒu)效減少(shǎo)PCB上(shàng)的EMI，這些(xiē)訊号的電(diàn)源/接地噪音(yīn)，以及天線噪音(yīn)源都必須加以考慮。由于訊号噪音(yīn)源是SI問題、電(diàn)源/接地噪音(yīn)源是PI問題，因此EMC問題的解決最終則須依靠正确的SI、PI和(hé)EMI設計(jì)，而不僅是考慮EMC的問題。Cadence亞太區(qū)高(gāo)速技(jì)術(shù)中心技(jì)術(shù)顧問鍾章民表示。
他接着說：“在設計(jì)中就透過模拟和(hé)限制(zhì)過程來(lái)解決SI和(hé)PI問題，便可(kě)以實際控制(zhì)EMI問題的根源，不但(dàn)減少(shǎo)了後期由SI/PI/EMI問題而糾錯的周期，也降低(dī)了産品無法通(tōng)過EMC測試的風險。”
不同的實際設計(jì)具有(yǒu)不同的EMC特定要求，這可(kě)以透過EMC工程師(shī)所建置的規則來(lái)實現。這些(xiē)限制(zhì)條件有(yǒu)些(xiē)可(kě)在Allegro中的規則管理(lǐ)器(qì)中設置，有(yǒu)些(xiē)不能或即時(shí)檢查的耗時(shí)條件規則需要進行(xíng)後期檢查。手動進行(xíng)這種檢查是一件非常費時(shí)費力的事情，為(wèi)此Cadence發布了EMControl工具，它提供了自動大(dà)量處理(lǐ)檢查這些(xiē)EMI/SI/PI規則，并進行(xíng)互動式設計(jì)的方法，使客戶可(kě)以在此平台上(shàng)開(kāi)發适合自己的各種規則。
市場(chǎng)上(shàng)現有(yǒu)的一些(xiē)EMC工具可(kě)以幫助工程師(shī)解決一些(xiē)EMI的問題，然而，卻沒有(yǒu)一種工具可(kě)完全淮确地模拟EMI效果的工具。目前市場(chǎng)上(shàng)的EMI模拟工具既費時(shí)費力、成本高(gāo)昂，也無法從根本上(shàng)解決系統的EMC問題。如果PCB設計(jì)者可(kě)真正将EMC問題放到設計(jì)階段來(lái)考慮，那(nà)麽不僅可(kě)以獲得(de)更好的EMC設計(jì)效果，而且可(kě)以降低(dī)設計(jì)成本，因而大(dà)幅提高(gāo)了産品通(tōng)過EMC測試的機會(huì)。
Cadence資深技(jì)術(shù)行(xíng)銷經理(lǐ)穆珍博士也強調指出：“盡管其他的一些(xiē)EDA廠商也推出了類似EMControl專家(jiā)系統的規則檢查方案，但(dàn)對客戶來(lái)講，如何将SI、PI與EMI的問題在設計(jì)階段就一併考慮并加以嚴格控制(zhì)，已經成為(wèi)業界主流的高(gāo)性價比設計(jì)方法和(hé)系統EMC問題解決方案。在這一點上(shàng)，目前隻有(yǒu)Cadence的Allegro PCB SI 230/630工具才能夠在一個(gè)平台上(shàng)解決和(hé)完成。”
Mentor聲稱，其HyperLynx高(gāo)速工具套件可(kě)用在任何一個(gè)設計(jì)流程中分析訊号完整性、消除串擾和(hé)設計(jì)早期檢測出的EMC問題，因而使得(de)PCB設計(jì)者可(kě)在第一時(shí)間(jiān)發現和(hé)消除SI/EMC問題。其EMC模拟分析工具Quiet Expert采用了一種‘專家(jiā)系統’演算(suàn)法來(lái)尋找和(hé)發現PCB上(shàng)的EMC問題，它可(kě)顯示存在EMC問題的布線網路，并提供實用的建議，以協助用戶解決相應的EMC問題。由于它透過使用複雜的演算(suàn)法來(lái)避免進行(xíng)費時(shí)的模拟和(hé)建模，因此反應速度很(hěn)快。
圖研的Hot-Stage是一個(gè)功能強大(dà)的高(gāo)速電(diàn)路SI/EMC/EMI系統分析套裝軟體(tǐ)，它由規則管理(lǐ)器(qì)、網路拓樸編輯器(qì)、虛拟原型分析編輯器(qì)、模拟器(qì)、模拟庫編輯器(qì)和(hé)原型布局布線編輯器(qì)組成，而為(wèi)PCB設計(jì)者提供了一個(gè)工程化的虛拟原型設計(jì)環境。其中的模拟器(qì)可(kě)以完成時(shí)域和(hé)頻域的高(gāo)精密度電(diàn)磁場(chǎng)模拟分析，并采用PCB的基本設置和(hé)電(diàn)路設定參數(shù)解算(suàn)出PCB的各種電(diàn)路參數(shù)，如傳輸線參數(shù)、特徵阻抗參數(shù)、PCB網線的串擾，以及與訊号相關的各種特徵值。同時(shí)，它也可(kě)實現所規定的的布局布線，完成對各種傳輸線搭配網路中各項參數(shù)的最佳化，以設計(jì)出最優質的網路搭配。
EMC Adviser是采用專家(jiā)設計(jì)規則的EMC分析工具，它探用圖研的EMC定量模拟分析工具EMC Work bench開(kāi)發而成。圖研将EMC Work bench的優點結合無法以定量模拟工具檢查和(hé)分析EMI/EMC問題的走線方式，整理(lǐ)出24項專家(jiā)設計(jì)規則，這使得(de)目前大(dà)多(duō)數(shù)不具備電(diàn)磁幹擾/電(diàn)磁相容理(lǐ)論知識的普通(tōng)PCB設計(jì)者也可(kě)根據這些(xiē)規則快速方便地解決高(gāo)速高(gāo)密度PCB設計(jì)中出現的EMC問題。
專業的EMC Work bench要求PCB設計(jì)者必須懂得(de)SI/EMC的基本理(lǐ)論與其實際應用，以及正确的元件模拟模型和(hé)合理(lǐ)的模拟邊界條件設置，而這些(xiē)基本要求往往是目前許多(duō)PCB設計(jì)者所缺乏的。圖研株式會(huì)社中國業務拓展部總經理(lǐ)Kenji Yamamoto介紹道(dào)，EMC Work bench是一套非常專業和(hé)複雜的EMC分析工具，以前即使在日本也隻有(yǒu)2%左右的工程師(shī)能夠獨立熟練地使用這套工具。
整體(tǐ)來(lái)說，“Quiet Expert和(hé)HyperLynx并不是非常專業的EMI模拟系統，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(yǒu)圖研可(kě)真正将複雜的EMI/EMC模拟工具以EMC設計(jì)規則的方式整合在PCB設計(jì)工具中。藉由EMC Adviser，可(kě)使99%的普通(tōng)PCB設計(jì)人(rén)員也能解決高(gāo)速高(gāo)密度PCB上(shàng)的EMC問題。”
不過，他也強調：“EMC Adviser不可(kě)能讓PCB設計(jì)者一次解決所有(yǒu)的EMC問題，它隻能協助設計(jì)者有(yǒu)效地降低(dī)設計(jì)反覆次數(shù)，大(dà)約從以前的10次降低(dī)到4次。”
值得(de)注意的是，EMC Adviser也無法完全解決應用系統的EMC問題，它隻能解決因PCB布局布線而引起的EMC問題，因為(wèi)全應用系統的EMC問題還(hái)涉及電(diàn)路設計(jì)、I/O和(hé)功率元件選擇、功率分配、輸出埠配置，以及機械設計(jì)。圖研株式會(huì)社中國華南區(qū)技(jì)術(shù)經理(lǐ)李鴻潤補充道(dào)。
他接着說，今後解決PCB闆上(shàng)EMI問題的一大(dà)發展趨勢是用可(kě)撓性PCB來(lái)連接具有(yǒu)不同層級的PCB硬闆，這可(kě)省卻EMI輻射較大(dà)的輸出埠和(hé)I/O元件，因而有(yǒu)效地改善EMC問題，提高(gāo)全系統的可(kě)靠性和(hé)節省系統成本。
不過，盡管EMC設計(jì)規則的出現、直觀的系統提示，以及SI/EMC問題的解決不再像以前那(nà)樣困難，但(dàn)SI/EMC模拟分析工具實際上(shàng)的使用還(hái)是非常困難的，很(hěn)少(shǎo)有(yǒu)用戶能夠獨立掌握和(hé)真正有(yǒu)效使用；為(wèi)了讓客戶充分有(yǒu)效地使用，專業的系統谘詢服務常常是必須的。
Yamamoto強調指出：“與競争對手相較，我們的另一個(gè)優勢是，圖研提供SI/EMC分析軟體(tǐ)工具，并可(kě)為(wèi)向客戶提供專家(jiā)谘詢服務。這是我們獨特的技(jì)術(shù)優勢，目前圖研在中國、日本和(hé)德國有(yǒu)許多(duō)資深的SI/EMC專家(jiā)已可(kě)現場(chǎng)為(wèi)客戶提供服務。”
此外，盡管Cadence聲稱Allegro PCB SI 630足以因應今日的幾個(gè)GHz級的PCB設計(jì)挑戰，但(dàn)大(dà)多(duō)數(shù)業界人(rén)士認為(wèi)，GHz級以下的PCB設計(jì)可(kě)以采用上(shàng)述工具來(lái)實現，但(dàn)對于工作(zuò)頻率超過GHz的電(diàn)路，一般需要采用其它高(gāo)頻設計(jì)工具，如安捷倫的EEsof 和(hé)Ansoft的Ansoft Designer、HFSS和(hé)Nexxim。
圖研的Kenji Yamamoto也坦率地承認了這一點。“圖研新一代的PCB全整合設計(jì)工具套件CR-5000支援的電(diàn)路最高(gāo)工作(zuò)頻率為(wèi)GHz左右，支援的PCB層數(shù)則無限制(zhì)。一般來(lái)說，超過GHz的電(diàn)路需要采用Ansoft和(hé)安捷倫的射頻分析軟體(tǐ)來(lái)做(zuò)，因為(wèi)此時(shí)電(diàn)路的特性已接近射頻。”他說，“CR-5000支援原理(lǐ)圖和(hé)版圖級設計(jì)分割和(hé)整合，這使得(de)整塊PCB可(kě)被分成高(gāo)速電(diàn)路部份、邏輯部份和(hé)電(diàn)源部份來(lái)做(zuò)設計(jì)分割，然後再在版圖級整合起來(lái)。”
客戶經理(lǐ)
