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1、高性能 PCB 的 SI/PI 和 EMI/EMC 仿真设计 目录目录 1 现代 PCB 设计面临的挑战.1 2 SI/PI 的基本概念，SI/PI 与 EMI 的关系.1 2.1 传输线.1 2.2 特性阻抗.1 2.3 反射系数和信号反射.2 2.4 截止频率.3 2.5 S 参数 .3 2.6 电源完整性的定义.4 2.7 同步开关噪声.5 2.8 PDS 的阻抗以及目标阻抗的定义.5 2.9 去耦电容.6 2.10 SI/PI 与 EMI 的关系7 3 PCB 前仿真熟悉软件界面和基本操作 8 3.1 PCB 数据的导入和检查8 3.2 预布局阶段的设计与仿真.13 3.2.1 层叠设
2、计.13 3.2.2 平面分割.14 3.2.3 添加去耦电容.14 3.2.4 仿真之前的参数设置.15 3.2.5 谐振分析.16 4 布线后仿真.18 4.1 PI 仿真：18 4.1.1 谐振模式分析，退耦电容的作用.18 4.1.2 阻抗分析，阻抗和谐振的关系.20 4.1.3 传导干扰分析和电压噪声测量，及其与谐振的关系.22 4.1.4 SSN 仿真（建议初学者跳过本节）.25 4.2 DC Voltage (DCIR) drop 仿真33 4.3 SI 仿真38 4.3.1 信号线参数抽取.38 4.3.2 TDR.41 4.3.3 信号完整性与串扰仿真.42 4.3.4 差分
3、信号参数提取和眼图仿真.49 4.4 PCB 的 EMI 设计与控制.52 4.4.1 PCB 远场辐射分析52 4.4.2 频变源加入（建议初学者跳过本节）.57 5 与机箱机柜的协同设计.59 SIwave FAQ61 For ZTE only, Please dont distribute1 现代现代 PCB 设计面临的挑战设计面临的挑战 我们通过设计 PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是 PCB 设计 的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB 主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB 主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输， 也就是通过
4、PCB 把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然 PCB 是信号传输的通道， PCB 设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB 的另外一个功能是实现电源的分配，因 为所有芯片的电源供给都需要通过 PCB 从电源模块上取得的； PCB 设计的最后一个功能是 控制 EMI/EMC，也就是将 PCB 对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个 PCB 系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中 正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的 PCB 设计面临着 SI/PI/EMI 三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电
5、 压幅度的降低，SI/PI/EMI 面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI 的基本概念，的基本概念，SI/PI 与与 EMI 的关系的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性， 信号完整性研究是一个数字设计和模拟 理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大， 而同时保证成本最低。关注 SI 时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。 当器件物理尺寸或者电气连接的尺 寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长 2 米， 其电源的工作频率是 50Hz，波长就是 6000
6、 公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的， 我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA 等 PCB 板设计，假如工 作频率在 100MHz，就必须考虑传输线效应。 2.2 特性阻抗特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中， 传输线上看到的瞬间阻抗值， 这里要注意是PCB信号完整性/电源完整性和EMI分析 培训手册高性能 PCB 的 SI/PI 和 EMI/EMC 仿真设计流程 1 现代现代 PCB 设计面临的挑战设计面临的挑战 我们通过设计 PCB， 把各种芯片整合在一起， 来实现某种特定功能， 这就是 PCB 设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB 主要的作用
7、是系统功能的承载 体。 从电性能的角度来看，PCB 主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的 传输，也就是通过 PCB 把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然 PCB 是 信号传输的通道，PCB 设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB 的另外一 个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过 PCB 从电源模 块上取得的；PCB 设计的最后一个功能是控制 EMI/EMC，也就是将 PCB 对外 界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个 PCB 系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的 互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射
8、。一 个高性能的 PCB 设计面临着 SI/PI/EMI 三个方面的问题，随着系统复杂度的提 高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI 面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI 的基本概念，的基本概念，SI/PI 与与 EMI 的关系的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性， 信号完整性研究是一个数字设计 和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联 的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注 SI 时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。 当器件物理尺寸或者电气连 接的尺寸同信号的波长可
9、以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯 的电源线长 2 米，其电源的工作频率是 50Hz，波长就是 6000 公里。这根电源 线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品 如手提电脑、PDA 等 PCB 板设计，假如工作频率在 100MHz，就必须考虑传输 线效应。 11For ZTE only, Please dont distribute是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成 50 欧姆，这是在微波的发展 过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在 70 多欧姆左右时,传输损耗最小；在 30 多欧姆时, 承受功率最
10、大。两者综合，选择 50 欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了 50 欧姆作 为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时， 信号会发生反射， 就像水流通过 不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传 输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗 小于输入阻抗，反射系数0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗 小于输入阻抗，反射系数0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗 小于输入阻抗，反
11、射系数0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗 小于输入阻抗，反射系数pour manager 中进行 Plane connect 和 Hatch 的操作，如下图所示： PCB信号完整性/电源完整性和EMI分析 培训手册2.2 特性阻抗特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要 注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成 50 欧姆，这是在微波 的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在 70 多欧姆左右时,传输损耗最 小；在 30 多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择 50 欧姆，同时照顾到两种 性能
12、， 所以就选择了 50 欧姆作为一个标准。 如果外接的阻抗同特征阻抗不一致， 就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时， 信号会发生反射， 就像水流通过 不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传 输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗 小于输入阻抗，反射系数option-Split/Mixed Plane 设置中，对 Save to PCB file 一栏选择 All plane data 选项。如下图所示： 设置好此项后，在菜单
13、中运行 File-Export，选择*.asc 文件的路径和名称后，弹出以 下对话框： PCB信号完整性/电源完整性和EMI分析 培训手册高性能 PCB 的 SI/PI 和 EMI/EMC 仿真设计流程 1 现代现代 PCB 设计面临的挑战设计面临的挑战 我们通过设计 PCB， 把各种芯片整合在一起， 来实现某种特定功能， 这就是 PCB 设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB 主要的作用是系统功能的承载 体。 从电性能的角度来看，PCB 主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的 传输，也就是通过 PCB 把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然 PCB 是 信号传输的通道，PCB
14、设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB 的另外一 个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过 PCB 从电源模 块上取得的；PCB 设计的最后一个功能是控制 EMI/EMC，也就是将 PCB 对外 界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个 PCB 系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的 互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一 个高性能的 PCB 设计面临着 SI/PI/EMI 三个方面的问题，随着系统复杂度的提 高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI 面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI 的基本概
15、念，的基本概念，SI/PI 与与 EMI 的关系的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性， 信号完整性研究是一个数字设计 和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联 的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注 SI 时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。 当器件物理尺寸或者电气连 接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯 的电源线长 2 米，其电源的工作频率是 50Hz，波长就是 6000 公里。这根电源 线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式
16、产品 如手提电脑、PDA 等 PCB 板设计，假如工作频率在 100MHz，就必须考虑传输 线效应。 19For ZTE only, Please dont distribute选择 Select All 选中右边所有框选项。由于目前的 Ansoft SIwave 3.5.2 版本只支持到 PADS2005 版本，所以对于 PADS2007 以上版本，在 Format 一栏要选择 PADS Layout V2005.2 以下的输出格式。在 Units 一栏选择 Current,然后点击 OK，输出*.asc 文件。 在 SIwave 中，点击菜单 File-Import-Mentor PADS Design， 选择好*.asc 文件后，在自动跳出的对话框中为即将生成的*.anf 文件设定名称和路径， 然后进行导入，导入完成后，点击菜单 Edit-Validation Check，进行检查： PCB信号完整性/电源完整性和EMI分析 培训手册2.2 特性阻
