高速PCB仿真优化产品的EMC和EMI

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1、摘要：简要描述了印制电路板的仿真过程，分析仿真对于设计高质量、高精度PCB的重要意义，并在场景产生器的PCB板上使用仿真工具对关键信号（时钟信号）进行信号完整性和EMC分析，以及并行信号的串绕问题分析，根据仿真结果调整了原有设计，从而达到提高了信号质量的目的。　　关键词：传输线；IBIS模型；信号完整性；电磁兼容1 前言　　在高速IC设计中，随着系统速度和布线密度的提高，信号完整性（SI）、串绕、EMC问题对于设计高质量的PCB板越来越重要，而在已有的PCB板上去分析和发现这些问题是一件非常困难的事情，即使找到了问

2、题，对于一个已完成的PCB板要实施有效的解决办法也需要花费大量时间和费用。相比之下，在设计初期和设计过程中就考虑到这些方面的影响的话，修改同样的问题所花费的时间和金钱要少得多，因此需要寻求一种能够在物理设计完成之前查找、发现并在电路设计过程中消除或减小这些问题，根据实际物理设计中的各种参数，进行深入细致的分析的方法，仿真就是其中之一。　　印制电路板仿真有两种：线仿真和板级仿真。线仿真可以根据设计对信号完整性与时序的要求，在布线前帮助设计者调整元器件布局、规划系统时钟网络以及确定关键线网的端接策略，在布线过程中跟踪设

3、计，随时反馈布线效果；板级仿真通常在PCB设计基本完成之后进行，可以综合考虑如电气、EMC、热性能及机械性能等方面这些因素对SI的影响及这些因素之间的相互影响，从而进行真正的系统级分析与验证，与线仿真相比而言，比较复杂。在还没有开始布线之前进行的线仿真，称为假设性仿真，这种仿真的目的在于估计各种电路元素的影响，从而为参数设置和布线约束，关键网络的端接策略提供一定的依据。　　场景产生器是一块用于数据处理的专用板卡，其时钟频率为33MHz，信号速度比较快，布线密度较大，要保证系统正常工作，其PCB的设计中必须要解决其信

4、号完整性和EMC的问题，本文中，作者使用仿真技术来估计预测可能引起的信号完整性，串绕以及EMC问题，检测已经完成的布线的传输性能，综合多方面考虑，定出合理的布线约束条件，终端匹配策略等。2仿真流程　　通常印制板的仿真流程如图1所示，首先要建立起元器件的仿真模型，然后进行假设性仿真来确定布线过程中需要的参数设置和一些约束条件，接下来在实际布线过程中随时通过线仿真检查布线的效果，最后在布线基本完成之后进行板级仿真来检查系统工作的性能。3仿真模型　　仿真过程中器件需要有相应的仿真模型，仿真模型的准确性很大程度上就决定了仿

5、真的精度。通常使用的有IBIS和Spice模型。IBIS是用来描述IC器件的输入、输出和I/OBuffer行为特性的文件，并且用来模拟Buffer和板上电路系统的相互作用。在IBIS模型里核心的内容就是Buffer的模型，因为这些Buffer产生一些模拟的波形，仿真器利用这些波形来仿真传输线的影响。由于IBIS描述了Buffer的输入和输出阻抗、上升和下降时间以及对于不同情况下的上拉和下拉，工程人员可以利用这个模型对PCB板上的电路系统进行SI、串扰、EMC以及时序分析。IBIS模型与Spice模型相比具有计算量较

6、小（通常只有相应的SPICE模型的1/10到1/100）、仿真速度快、无需描述I/O单元的内部设计和晶体管制造参数，保密性强，因而易于从厂商处获得、能够对高速振铃和串扰进行准确精细的仿真、考虑了封装的寄生参数等优点，因此对于场景产生器的PCB仿真，器件的仿真模型选用了IBIS模型。　　IBIS模型可以从厂家网站上搜索，也可以利用编辑器来生成。要自己建立IBIS模型，首先需要获取建立模型必要的信息。这些信息包括元件封装类型，管腿数目，管腿名称与信号名称的映射关系，器件的供电电压大小，元件的生产厂家等，有了这些信息以后

7、，作者利用Hyplinx的IBIS编辑器对场景产生器中所有用到的器件生成了相应的IBIS模型，存入元器件库中，为后面的仿真做好了准备。4假设性仿真和线仿真　　在假设性仿真之前，印制板上大型器件的位置已经基本确定，如前所述，此时对于以后布线过程中哪些信号需要终端匹配，使用怎样的终端匹配，以及各种信号的线宽，线距等参数的设置应该确定下来，由于这些参数实际上就是布线的约束条件，如果指定得不合理，可能使得布线质量不好甚至导致整个过程的返工，对于设计人员来说，浪费了大量的时间和精力，获得的效果却不尽人意，因此，假设性仿真对于

8、PCB设计是非常重要的。　　从高速设计的观点来看，所有信号中由于时钟信号通常就是芯片工作的基准频率，许多操作都是在其基础上进行的，如果时钟都不准确，就谈不上芯片正常工作了，对于这种关键信号的信号完整性应该是仿真首要解决的问题。下面作者选出场景产生器中具有代表意义的一组时钟信号，进行假设性仿真，来确定这些时钟信号哪些需要采用终端匹配，选择怎样的终端匹配最适合。