高速PCB的SI/EMI問題解析
高速高密度多層PCB板的SI/EMC(訊號(hào)完整性/電磁兼容)問題長(zhǎng)久以來一直是設(shè)計(jì)者所面對(duì)的最大挑戰(zhàn)。然而，隨著主流的MCU、DSP和處理器大多工作在100MHz以上(有些甚至工作于GHz級(jí)以上)，以及越來越多的高速I/O埠和RF前端也都工作在GHz級(jí)以上，再加上應(yīng)用系統(tǒng)的小型化趨勢(shì)導(dǎo)致的PCB空間縮小問題，使得目前的高速高密度PCB板設(shè)計(jì)已經(jīng)變得越來越普遍。許多產(chǎn)業(yè)分析師指出，在進(jìn)入21世紀(jì)以后，80%以上的多層PCB設(shè)計(jì)都將會(huì)針對(duì)高速電路。
高速訊號(hào)會(huì)導(dǎo)致PCB板上的長(zhǎng)互連走線產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)，它使得PCB設(shè)計(jì)者必須考慮傳輸線的延遲和阻抗搭配問題，因?yàn)榻邮斩撕万?qū)動(dòng)端的阻抗不搭配都會(huì)在傳輸在線產(chǎn)生反射訊號(hào)，而嚴(yán)重影響到訊號(hào)的完整性。另一方面，高密度PCB板上的高速訊號(hào)或頻率走線則會(huì)對(duì)間距越來越小的相鄰走線產(chǎn)生很難準(zhǔn)確量化的串?dāng)_與EMC問題。SI和EMC的問題將會(huì)導(dǎo)致PCB設(shè)計(jì)過程的反復(fù)，而使得產(chǎn)品的開發(fā)周期一再延誤。
一般來說，高速高密度PCB需要復(fù)雜的阻抗受控布線策略才能確保電路正常工作。隨著新型組件的電壓越來越低、PCB板密度越來越大、邊緣轉(zhuǎn)換速率越來越快，以及開發(fā)周期越來越短，SI/EMC挑戰(zhàn)便日趨嚴(yán)峻。為了達(dá)到這個(gè)挑戰(zhàn)的要求，目前的PCB設(shè)計(jì)者必須采用新的方法來確保其PCB設(shè)計(jì)的可行性與可制造性。過去的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)無法滿足今日的時(shí)序和訊號(hào)完整性要求，而必須采取包含仿真功能的新款工具才足以確保設(shè)計(jì)成功。
目前業(yè)界適用于解決這類SI/EMC問題的主要PCB設(shè)計(jì)工具有Cadence的Allegro PCB SI 230/630和EMControl、明導(dǎo)國(guó)際的HyperLynx和Quiet Expert、圖研(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(xié)同解決方案，適用于高速PCB設(shè)計(jì)周期的每個(gè)階段，并解決與電氣性能相關(guān)的問題。
PCB是系統(tǒng)中主要的輻射源，因此，控制系統(tǒng)中所有PCB的EMI輻射，以提高系統(tǒng)抗干擾的能力是確保產(chǎn)品通過EMC測(cè)試的最好方法。具體來說，PCB上的EMI問題是由多種噪聲源引起的，如訊號(hào)噪音(反射和串?dāng)_)、電源/接地噪音與天線等。為了有效減少PCB上的EMI，這些訊號(hào)的電源/接地噪音，以及天線噪聲源都必須加以考慮。由于訊號(hào)噪聲源是SI問題、電源/接地噪聲源是PI問題，因此EMC問題的解決最終則須依靠正確的SI、PI和EMI設(shè)計(jì)，而不僅是考慮EMC的問題。Cadence亞太區(qū)高速技術(shù)中心技術(shù)顧問鐘章民表示。他接著說：“在設(shè)計(jì)中就透過模擬和限制過程來解決SI和PI問題，便可以實(shí)際控制EMI問題的根源，不但減少了后期由SI/PI/EMI問題而糾錯(cuò)的周期，也降低了產(chǎn)品無法通過EMC測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)。”
不同的實(shí)際設(shè)計(jì)具有不同的EMC特定要求，這可以透過EMC工程師所建置的規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。這些限制條件有些可在Allegro中的規(guī)則管理器中設(shè)置，有些不能或?qū)崟r(shí)檢查的耗時(shí)條件規(guī)則需要進(jìn)行后期檢查。手動(dòng)進(jìn)行這種檢查是一件非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情，為此Cadence發(fā)布了EMControl工具，它提供了自動(dòng)大量處理檢查這些EMI/SI/PI規(guī)則，并進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)的方法，使客戶可以在此平臺(tái)上開發(fā)適合自己的各種規(guī)則。
市場(chǎng)上現(xiàn)有的一些EMC工具可以幫助工程師解決一些EMI的問題，然而，卻沒有一種工具可完全準(zhǔn)確地模擬EMI效果的工具。目前市場(chǎng)上的EMI模擬工具既費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高昂，也無法從根本上解決系統(tǒng)的EMC問題。如果PCB設(shè)計(jì)者可真正將EMC問題放到設(shè)計(jì)階段來考慮，那么不僅可以獲得更好的EMC設(shè)計(jì)效果，而且可以降低設(shè)計(jì)成本，因而大幅提高了產(chǎn)品通過EMC測(cè)試的機(jī)會(huì)。
Cadence資深技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理
Mentor聲稱，其HyperLynx高速工具套件可用在任何一個(gè)設(shè)計(jì)流程中分析訊號(hào)完整性、消除串?dāng)_和設(shè)計(jì)早期檢測(cè)出的EMC問題，因而使得PCB設(shè)計(jì)者可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和消除SI/EMC問題。其EMC模擬分析工具Quiet Expert采用了一種‘專家系統(tǒng)’算法來尋找和發(fā)現(xiàn)PCB上的EMC問題，它可顯示存在EMC問題的布線網(wǎng)絡(luò)，并提供實(shí)用的建議，以協(xié)助用戶解決相應(yīng)的EMC問題。由于它透過使用復(fù)雜的算法來避免進(jìn)行費(fèi)時(shí)的模擬和建模，因此反應(yīng)速度很快。
圖研的Hot-Stage是一個(gè)功能強(qiáng)大的高速電路SI/EMC/EMI系統(tǒng)分析軟件包，它由規(guī)則管理器、網(wǎng)絡(luò)拓樸編輯器、虛擬原型分析編輯器、仿真器、仿真庫編輯器和原型布局布線編輯器組成，而為PCB設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)工程化的虛擬原型設(shè)計(jì)環(huán)境。其中的仿真器可以完成時(shí)域和頻域的高精密度電磁場(chǎng)模擬分析，并采用PCB的基本設(shè)置和電路設(shè)定參數(shù)解算出PCB的各種電路參數(shù)，如傳輸線參數(shù)、特征阻抗參數(shù)、PCB網(wǎng)線的串?dāng)_，以及與訊號(hào)相關(guān)的各種特征值。同時(shí)，它也可實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的的布局布線，完成對(duì)各種傳輸線搭配網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)參數(shù)的最佳化，以設(shè)計(jì)出最優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)搭配。
EMC Adviser是采用專家設(shè)計(jì)規(guī)則的EMC分析工具，它探用圖研的EMC定量模擬分析工具EMC Work bench開發(fā)而成。圖研將EMC Work bench的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合無法以定量模擬工具檢查和分析EMI/EMC問題的走線方式，整理出24項(xiàng)專家設(shè)計(jì)規(guī)則，這使得目前大多數(shù)不具備電磁干擾/電磁兼容理論知識(shí)的普通PCB設(shè)計(jì)者也可根據(jù)這些規(guī)則快速方便地解決高速高密度PCB設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的EMC問題。
專業(yè)的EMC Work bench要求PCB設(shè)計(jì)者必須懂得SI/EMC的基本理論與其實(shí)際應(yīng)用，以及正確的組件仿真模型和合理的仿真邊界條件設(shè)置，而這些基本要求往往是目前許多PCB設(shè)計(jì)者所缺乏的。圖研株式會(huì)社中國(guó)業(yè)務(wù)拓展部總經(jīng)理Kenji Yamamoto介紹道，EMC Work bench是一套非常專業(yè)和復(fù)雜的EMC分析工具，以前即使在日本也只有2%左右的工程師能夠獨(dú)立熟練地使用這套工具。
整體來說，“Quiet Expert和HyperLynx并不是非常專業(yè)的EMI仿真系統(tǒng)，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：“目前全球唯有圖研可真正將復(fù)雜的EMI/EMC仿真工具以EMC設(shè)計(jì)規(guī)則的方式整合在PCB設(shè)計(jì)工具中。藉由EMC Adviser，可使99%的普通PCB設(shè)計(jì)人員也能解決高速高密度PCB上的EMC問題。”
不過，他也強(qiáng)調(diào)：“EMC Adviser不可能讓PCB設(shè)計(jì)者一次解決所有的EMC問題，它只能協(xié)助設(shè)計(jì)者有效地降低設(shè)計(jì)反復(fù)次數(shù)，大約從以前的10次降低到4次。” 值得注意的是，EMC Adviser也無法完全解決應(yīng)用系統(tǒng)的EMC問題，它只能解決因PCB布局布線而引起的EMC問題，因?yàn)槿珣?yīng)用系統(tǒng)的EMC問題還涉及電路設(shè)計(jì)、I/O和功率組件選擇、功率分配、輸出端口配置，以及機(jī)械設(shè)計(jì)。圖研株式會(huì)社中國(guó)華南區(qū)技術(shù)經(jīng)理李鴻潤(rùn)補(bǔ)充道。
他接著說，今后解決PCB板上EMI問題的一大發(fā)展趨勢(shì)是用可撓性PCB來連接具有不同層級(jí)的PCB硬板，這可省卻EMI輻射較大的輸出端口和I/O組件，因而有效地改善EMC問題，提高全系統(tǒng)的可靠性和節(jié)省系統(tǒng)成本。
不過，盡管EMC設(shè)計(jì)規(guī)則的出現(xiàn)、直觀的系統(tǒng)提示，以及SI/EMC問題的解決不再像以前那樣困難，但SI/EMC模擬分析工具實(shí)際上的使用還是非常困難的，很少有用戶能夠獨(dú)立掌握和真正有效使用；為了讓客戶充分有效地使用，專業(yè)的系統(tǒng)咨詢服務(wù)常常是必須的。
Yamamoto強(qiáng)調(diào)指出：“與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相較，我們的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，圖研提供SI/EMC分析軟件工具，并可為向客戶提供專家咨詢服務(wù)。這是我們獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前圖研在中國(guó)、日本和德國(guó)有許多資深的SI/EMC專家已可現(xiàn)場(chǎng)為客戶提供服務(wù)。”
此外，盡管Cadence聲稱Allegro PCB SI 630足以因應(yīng)今日的幾個(gè)GHz級(jí)的PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但大多數(shù)業(yè)界人士認(rèn)為，GHz級(jí)以下的PCB設(shè)計(jì)可以采用上述工具來實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于工作頻率超過GHz的電路，一般需要采用其它高頻設(shè)計(jì)工具，如安捷倫的EEsof 和Ansoft的Ansoft Designer、HFSS和Nexxim。
圖研的Kenji Yamamoto也坦率地承認(rèn)了這一點(diǎn)。“圖研新一代的PCB全整合設(shè)計(jì)工具套件CR-5000支持的電路最高工作頻率為GHz左右，支持的PCB層數(shù)則無限制。一般來說，超過GHz的電路需要采用Ansoft和安捷倫的射頻分析軟件來做，因?yàn)榇藭r(shí)電路的特性已接近射頻。”他說，“CR-5000支持原理圖和版圖級(jí)設(shè)計(jì)分割和整合，這使得整塊PCB可被分成高速電路部份、邏輯部份和電源部份來做設(shè)計(jì)分割，然后再在版圖級(jí)整合起來。”