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係統設計越來越成為製約整個係統設計成功的關鍵，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。


目前

，越來越多的射頻/高頻設計工程師參與並指導高速互聯設計
，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。

實際上
，要在SI/PI/EMI方麵實現高性能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上的複雜供電網絡；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公司的係列電磁場仿真工具再配合專門的SI設計仿真平台DesignerSI，不僅滿足上述五點要求，而且由於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。場工具幫助互連係統的設計者精確地提取並建立互連係統的3D全波模型

，隨後在仿真平台Ansoft DesignerSI中進行係統驗證
，提取串擾、眼圖、誤碼率等時域
、頻域信息，用於信號完整性/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公司基於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係列軟件進行虛擬仿真，完成了對該PCB上收/發(fa)高(gao)速(su)差(cha)分(fen)組(zu)線(xian)的(de)設(she)計(ji)優(you)化(hua)

，實(shi)現(xian)高(gao)速(su)通(tong)信(xin)。在(zai)設(she)計(ji)初(chu)始(shi)階(jie)段(duan)，根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)問(wen)題(ti)將(jiang)整(zheng)個(ge)高(gao)速(su)串(chuan)行(xing)信(xin)道(dao)分(fen)割(ge)為(wei)相(xiang)對(dui)獨(du)立(li)的(de)子(zi)結(jie)構(gou)或(huo)子(zi)係(xi)統(tong)，如(ru)在(zai)本(ben)例(li)中(zhong)可(ke)分(fen)為(wei)封(feng)裝(zhuang)
、PCB走線和SMA接頭
，對各子係統分別進行設計優化，並通過場分析抽取、建立三維全波模型，然後在DesignerSI平台上通過動態鏈接、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

、zouxiandengbufenjiegoudeyouhuatiaozhenglaitigaozhengtichuanshuxingneng，namecaiyongzhezhongfenjiedezixitongxingshijiunengbangzhushejirenyuanxunsuhuodesuoxushuju，bimianzhongfudixiaolaodong。


利用Q2D進行PCB走線的阻抗控製分析，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係統驗證。

在DesignerSI平台上導入芯片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，得到眼圖並與實測結果對比（見圖3）。

推薦閱讀：

PCB板設計繪製心得
http://0-fzl.cn/gptech-art/80020592
PCB布線在電磁兼容性設計中的影響
http://0-fzl.cn/emc-art/80020280
PCB工程師必看
http://0-fzl.cn/cp-art/80019785

[page]
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，電源平麵上分有2.5v
、3.3v和5v三個電源分割

，但具有完整的地平麵。首先在SIwave中作諧振場分析以便了解電源/地平麵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）。由於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/穀值位置處）加去耦電容來抑製諧振，從而間接改善SI性能。在SIwave中直接模擬該過程

，根據前麵得到的諧振分析結果直接仿真去耦電容的影響，為抑製這14個諧振點共加了26個去耦電容
，仿真顯示加去耦電容後最低諧振頻點變為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，比較加去耦電容前後的S參數變化曲線（圖6a/b），發現加去耦電容 之後，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。


PCB EMI問題仿真

一塊八層PCB，其中黃色走線為PCB上的時鍾信號線，每根時鍾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。



隨後，在SIwave中計算PCB在空間的EMI輻射情況。以1G為例
，圖8為PCB元件正麵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處的電場分布雲圖，對比空間電場分布雲圖與PCB上電壓波動雲圖可以發現：PCB上電壓波峰/波穀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wen題ti則ze更geng為wei複fu雜za。采cai用yong對dui虛xu擬ni原yuan型xing進jin行xing仿fang真zhen的de方fang法fa替ti代dai反fan複fu試shi驗yan的de設she計ji方fang法fa來lai優you化hua電dian路lu板ban的de設she計ji
，可ke以yi有you效xiao縮suo短duan設she計ji周zhou期qi並bing且qie節jie約yue設she計ji成cheng本ben。

推薦閱讀：

PCB板設計繪製心得
http://0-fzl.cn/gptech-art/80020592
PCB布線在電磁兼容性設計中的影響
http://0-fzl.cn/emc-art/80020280
PCB工程師必看
http://0-fzl.cn/cp-art/80019785