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发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.66M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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高性能 PCB 的 SI/PI 和 EMI/EMC 仿真设计目录 3 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 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 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 DC Voltage (DCIR) drop 仿真....................................................................................33 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 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....................................................................................................................................61 4.2 4.3 4.1 4.4

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。 11

是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： + - V +++++++++ V,I ---------------- 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 。 =Γ V ref V inc = R L R L − + Z Z 0 0 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。 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。 +++++++++----------------V,I+-V00ZRZRVVLLincref+−==Γ22

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。 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。 13

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。 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。 +++++++++----------------V,I+-V00ZRZRVVLLincref+−==Γ24

2.7 同步开关噪声当芯片的多个 I/O 口同时同向翻转，比如从 1 到 0 的时候，多个 I/O 的 buffer 同时消耗的电流叠加在电源和地的 PIN 脚上产生一个较大的电流，这个变化的电流在封装和 PIN 脚的寄生电感 L 上会形成一个噪声电压 dV=L*dI/dt，这就是同步开关噪声。 2.8 PDS 的阻抗以及目标阻抗的定义电源从电源模块出发，一般会经过电路板，封装和芯片内部的互联，最后传递给晶体管。这是一个分层的电源网络，我们一般称之为电源供给系统（PDS）。电源完整性分析的核心内容，就是怎样设计整个电源供给网络或者其中的一部分，使得电源地网络产生的噪声最小。 PDS 的阻抗定义为从芯片这一端看整个电源供给系统的阻抗： 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。 15

PDS 的设计目标就是使降低整个网络的阻抗，从而减少电源地网络的噪声。而目标阻抗考察的是无源的电源地网络设计，它的定义为：比如，一个 3.3 伏的电源平面，如果允许的电压波动是 5％，通过的电流是 2 安培，那我们可以求出目标阻抗是 82.5 毫欧。也就是整个 PDS 系统的阻抗小于 82.5 毫欧，这个系统的电源完整性就没有问题，即波动小于 5％。当然实际的运算过程并没有这么简单，因为电流值并不是恒定不变，而是频率相关，所以目标阻抗也是一个频率相关的值。 2.9 去耦电容由于寄生参数的作用，一个非理想的电容通常会等效为一个 ESL+ESR+C 的串联网络，从而构成了一个串联谐振电路：其谐振频率为：下图是一个电容的阻抗特性随频率变化的曲线，可以看到，当 C 和 ESR 固定时，不同的 ESL 对应了不同的谐振频率：而当 C 和 ESL 固定时，不同的 ESR 对应的谐振频率点是相同的，所改变的仅仅是谐振点处阻抗的大小： 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。 +++++++++----------------V,I+-V00ZRZRVVLLincref+−==Γ26

2.10 SI/PI 与EMI 的关系在高性能的 PCB 设计中，SI/PI 和 EMI 这三个方面是密切联系，相互影响的。 SI/PI/EMI 相互作用，不可分割高速信号的跳变沿所携带的高频分量，更容易引发高频的 EMI 辐射；高速信号由于过孔换层或跨分割除了造成阻抗不连续，也会引起电源和地平面上信号回流路径不理想，造成电源完整性问题； PCB 电源或地平面本身固有的谐振模式被激发，也会引起信号 S 参数的变化，进而引起信号完整性问题；电源和地上的噪声引起的共模辐射，也会带来严重的 EMI 辐射；EMI 的传导和辐射干扰，同样也会造成电子系统的电源波动或信号恶化，产生 SI/PI 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。 17

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