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高性能 PCB 的 SI/PI 和 EMI/EMC 仿真设计
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 FAQ.....................................................................................................................
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1 现代 PCB 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 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 的基本概念,SI/PI 与 EMI 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 PCB 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 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 的基本概念,SI/PI 与 EMI 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。
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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,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
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
Γ
。
当负载阻抗大于输入阻抗,反射系数
Γ
>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
Γ
<0, 反射信号与入射信号反向相减。传输线的阻抗的不连续不仅
发生在终端,当反射信号传播到源端后,同样也会由于阻抗不连续产生二次反射,最终,信
号归于稳定。下图显示了在信号跳变的瞬间,源端和负载端的电压变化。
+++++++++
----------------
V,I
+
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V
0
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ZR
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V
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inc
ref
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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,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
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
Γ
。
当负载阻抗大于输入阻抗,反射系数
Γ
>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
Γ
<0, 反射信号与入射信号反向相减。传输线的阻抗的不连续不仅
发生在终端,当反射信号传播到源端后,同样也会由于阻抗不连续产生二次反射,最终,信
号归于稳定。下图显示了在信号跳变的瞬间,源端和负载端的电压变化。
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2.4
截止频率
对于一个周期性的数字信号,其频谱如上图中所示,高次谐波分量随频率升高而下降,
定义其截止频率为:
Fknee = 0.35/ Trise
由图中可以看出,信号的主要高次谐波分量,即能量集中在 Fknee 以内,所以通常考
察信号、信道的特性时,关注的是截止频率以内的部分,而对于截止频率之外,由于信号能
量很弱,可以忽略不计。从 Fknee 与 Trise 的关系可以看出:信号的截至频率,与它的周期
没有直接关系,Trise 越小,信号变化沿越快,Fknee 越高;Trise 越大,信号变化沿越慢,
Fknee 越低。
2.5 S
参数
S 参数是描述一个高频网络特性的参数,其原理同电路理论里的 Z 参数,Y 参数类似。
但由于 Z 和 Y 参数的测量存在开路短路情况,不适合高频情况下应用,所有用 S 参数来描
述。如图所示,当端口 2 匹配时,可以定义两个 S 参数 S11 和 S22,S11 反射系数,S21
是传输系数。
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信号完整性
/
电源完整性和
EMI
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高性能 PCB 的 SI/PI 和 EMI/EMC 仿真设计流程
1 现代 PCB 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 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 的基本概念,SI/PI 与 EMI 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。
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对于常见两端口互联结构,可以定义四个 S 参数:其中 S11 和 S22 称插入损耗,反映
了信号通过传输线网络的能力;S21 和 S12 称为回波损耗,反映了信号在传输线网络上的
反射状况。
关注信号完整性的同时,电源完整性也是一个重要的问题。
2.6
电源完整性的定义
电源完整性分析的主要目标就是能够给芯片电路提供干净的电源,消除电源噪声对芯片
输出信号的影响。电源噪声对芯片的影响,会引起输出信号的逻辑错误,或者产生时序问题。
此外,电源地网络和信号网络不是割裂的,而是紧紧耦合在一起的。所以电源地的噪声还会
通过耦合影响信号线,或者辐射到外面,会产生 EMI、EMC 的问题等等。
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/
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EMI
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2.2
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,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
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
Γ
。
当负载阻抗大于输入阻抗,反射系数
Γ
>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
Γ
<0, 反射信号与入射信号反向相减。传输线的阻抗的不连续不仅
发生在终端,当反射信号传播到源端后,同样也会由于阻抗不连续产生二次反射,最终,信
号归于稳定。下图显示了在信号跳变的瞬间,源端和负载端的电压变化。
+++++++++
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