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1、高速高密度多层PCB 的 SI/EMC高速高密度多层PCB 的 SI/EMC( 信号完整性 / 电磁兼容 )问题长久以来一直是设计师不得不面对的最大设计挑战。目前随着主流的MCU 、DSP 和处理器大多工作在100MHz以上 (少数甚至已工作到GHz 级以上 )，而且越来越多的高速I/O 端口和 RF 前端也都工作在GHz 级以上，再加上应用系统的小型化趋势导致的PCB 空间缩小问题，这些因素均使得今天的高速高密度PCB 设计变得越来越普遍。不少工业分析家也指出，进入二十一世纪以后，超过80% 的多层PCB 设计都是针对高速电路的。 高速信号会导致PCB 上的长互连走线产生传输线效应， 它使得
2、 PCB 设计师必须考虑传输线的延时和阻抗匹配问题，因为接收端和驱动端的阻抗不匹配都会在传输线上产生反射信号，而这会对信号完整性产生很大的影响。另一方面，高密度 PCB 上的高速信号或时钟走线会对间距越来越小的相邻走线产生很难准确量化的串扰问题， 从而产生恼人的EMC 问题。SI 和 EMC问题均会导致 PCB 设计过程的反复， 从而导致产品的开发周期一再延误。一般来说，高速高密度PCB 需要复杂的阻抗受控布线策略才能确保电路正常工作。随着新型器件的电压越来越低、PCB 密度越来越大、边沿转换速率越来越快、以及开发周期越来越短，SI/EMC挑战日趋严峻。为了满足这一挑战，今天的PCB 设计师必
3、须采用新的方法来确保你的PCB 设计是可工作的和可制造的。 采用过去的设计规则已经无法满足今天的时序和信号完整性要求，现在必须采取新的包含仿真功能的工具才能确保设计成功.目前业界可用于帮助解决这类SI/EMC问题的主要PCB 设计工具有Cadence的AllegroPCBSI230/630和 EMControl 、 Mentor的 HyperLynx和QuietExpert、图研 (Zuken) 的 Hot-Stage和 EMCAdviser 、以及Altium的PCBDesigner和P-CAD.Cadence的AllegroPCBSI230/630提供了一种可伸缩的、 完整的和集成的解决方
4、案，它是一种完整的SI/PI( 功率完整性 )/EMI问题的协同解决方案。它可用于在高速PCB 设计周期的每个阶段探索和解决与电气性能相关的问题 .PCB 是系统中主要的辐射源，控制系统中所有PCB的 EMI 辐射、提高系统搞干扰的能力是确保产品通过EMC 测试的最好方法。具体来说， PCB 上的 EMI 问题是由多种多样的噪声源引起的，如信号噪声 (反射和串扰 )、电源 / 地噪声、以及天线(悬空线 )等等。为了有效减少PCB 上的 EMI ，这些信号的、器件的、电源/地平面的以及天线的噪声源都必须加以考虑。由于信号噪声源是SI问题、电源 / 地噪声源是 PI 问题，因此最终的 EMC 问题
5、的解决必须依靠正确的 SI、PI 和 EMI 设计，而不仅仅只是考虑EMC 的问题。Cadence亚太区高速技术中心技术顾问钟章民表示。他接着说：“在设计中就通过仿真和约束解决好SI 和 PI 问题，这样可以在实际上控制 EMI 问题的根源，既减少了后期由于SI/PI/EMI问题而查错和改板的周期， 也降低了产品通不过EMC 测试的风险。 ”不同的实际设计会有不同的EMC 特殊要求，这可以通过 EMC 工程师设置约束来实现。这些约束有些可以在Allegro中的约束管理器中设置，有些不能或实时检查非常耗时的约束条件则需要进行后期检查。手工进行这种检查是一件非常费时费力的事情，为此 Cadence
6、 提供了EMControl工具，它提供了自动批处理检查这些EMI/SI/PI规则并进行交互式设计的方法，而且客户可以在此平台上开发适合自己的各种规则。市场上现有的一些EMC 工具可以帮助工程师解决一些EMI 的问题，然而，目前并没有一种能完全并准确地仿真EMI 效果的工具。目前市场上的EMI 仿真工具既费时费力、成本高昂，也没有从根本上解决系统的EMC 问题。如果PCB 设计师能够真正将EMC 问题放到设计阶段来考虑，那么不仅可以获得更好的EMC 设计效果，而且可以降低设计成本，从而大大提高了产品通过EMC测试的机会。 Cadence高级技术市场拓展经理穆珍博士也强调指出：“尽管其他的一些ED
7、A 厂商也推出了类似EMControl专家系统的规则检查方案， 但对客户来讲， 如何将 SI、PI 以及 EMI 的问题在设计阶段就协同考虑并加以严格控制，已经成为业界主流的、高性价比的设计方法和系统EMC 问题解决方案。在这一点上，目前只有 Cadence 的 AllegroPCBSI230/630工具才能够在一个平台上解决和完成。”Mentor声称，其 HyperLynx高速工具套件可用在任何一个设计流程中分析信号完整性、消除串扰和在设计早期检测出EMC 问题，从而允许PCB 设计师在第一时间发现和消除SI/EMC问题。其 EMC 仿真分析工具QuietExpert则主要采用了一种“专家系
8、统”算法来寻找和发现PCB 上的 EMC 问题，它可高亮显示存在 EMC 问题的布线网络，并提供实用的建议帮助用户去解决相应的EMC 问题。由于它通过使用复杂的算法来避免进行费时的仿真和建模，因此反应速度很快。图研的Hot-Stage是一个功能强大的高速电路 SI/EMC/EMI系统分析软件包，它由约束管理器、网络拓朴编辑器、虚拟原型分析编辑器、仿真器、仿真库编辑器和原型布局布线编辑器组成， 它为 PCB 设计师提供了一个工程化的虚拟原型设计环境。其中的仿真器可以完成时域和频域的高精度电磁场仿真分析，并基于 PCB 的基本设置和电路设定参数解算出PCB 的各种电路参数，如传输线参数、特征阻抗参
9、数、PCB 网线的串扰、以及与信号相关的各种特征值。与此同时，它也可实现基于约束的布局布线，完成对各种传输线匹配网络中各项参数的优化，以设计出最优的匹配网络。EMCAdviser是基于专家设计规则的EMC 分析工具，它基于图研的 EMC 定量仿真分析工具EMCWorkbench开发而成。图研将 EMCWorkbench的精髓以及有些不可能用定量仿真工具检查和分析出来 EMI/EMC 问题的走线方式，总结成了 24 条专家设计规则，这使得目前大多数并不具备电磁干扰/ 电磁兼容理论知识的普通PCB 设计师也能够根据这些规则快速方便地解决高速高密度PCB 设计中出现的 EMC 问题。而专业的 EMC
10、Workbench要求 PCB 设计师必须懂得SI/EMC 的基本理论和它们的实际应用、以及正确的器件仿真模型和合理的仿真边界条件设置，而这些基本要求往往是我们今天的许多 PCB 设计师所缺乏的。 图研株式会社中国业务拓展部总经理 KenjiYamamoto介绍道， EMCWorkbench是一个非常专业和复杂的 EMC 分析工具，以前即便在日本也只有2% 左右的工程师能够独立熟练地使用这套工具。总的来说，“QuietExpert和HyperLynx并不是非常专业和有深度的EMI 仿真系统，它们跟图研的 EMCWorkbench是无法相提并论的。”Yamamoto表示。KenjiYamamot
11、o自信地表示：“目前全球唯有图研一家真正能够将复杂的 EMI/EMC仿真工具以 EMC 设计规则的方式集成到PCB设计工具中。借助EMCAdviser ，现在 99% 的普通 PCB 设计人员也可以解决高速高密度PCB 上的 EMC 问题。”不过，他也强调：“ EMCAdviser 不可能一次帮助 PCB 设计师解决所有的 EMC 问题，它只能帮助他们有效地降低设计反复次数， 一般可从以前的 10 次降低到 4 次。”需要指出的是， EMCAdviser 不可能完全解决应用系统的 EMC 问题，它只能解决因 PCB 布局布线而引起的 EMC 问题，因为全应用系统的 EMC 问题还涉及到电路设计
12、、 I/O 和功率器件选择、功率分配、输出端口配置、以及机械设计。图研株式会社华南区技术经理李鸿润补充道。他接着说，今后解决 PCBEMI 问题的一大发展趋势是用柔性 PCB 来连接具有不同层级的 PCB 硬板，这可省掉 EMI 辐射较大的输出端口和 I/O 器件，从而有效地改善 EMC问题、提高全系统的可靠性和节省系统成本。不过，尽管 EMC 设计规则的出现和直观的系统提示及建议使SI/EMC 问题的解决不再像以前那样困难，但实际上SI/EMC 仿真分析工具使用起来还是非常困难的，很少有用户能够独立掌握和真正用好它。为了让客户充分高效地使用起来，专业的系统咨询服务常常是必须的。Yamamot
13、o强调指出：“与竞争对手相比，我们的另一个优势是，图研不仅提供 SI/EMC 分析软件工具，而且还可向客户提供专家咨询服务。这是我们非常独特的技术优势，现在图研在中国、日本和德国有许多资深的 SI/EMC 专家现场为客户提供服务。”需要指出的是，尽管Cadence声称 AllegroPCBSI630足以应对今天的几个GHz 级的PCB 设计挑战，但大多数业内人士认为，GHz 级以下的 PCB 设计可以采用上述工具来实现， 但对于工作频率超过GHz 的电路，一般需要采用其它高频设计工具， 如安捷伦公司的EEsof 和 Ansoft公司的 AnsoftDesigner 、HFSS 和 Nexxim 。图研的 KenjiYamamoto也坦率地承认了这一点。 “图研新一代的PCB 全
