大數(shù)據(jù)時代，如何提高高速PCB設(shè)計效率？

大數(shù)據(jù)時代，無論是數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)品、還是汽車和工業(yè)設(shè)備，甚至是我們?nèi)粘Ｊ褂玫?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%B6%88%E8%B4%B9%E7%94%B5%E5%AD%90/">消費電子產(chǎn)品，它們的信號速率都在迅猛攀升?？纯聪旅孢@張圖，PCIe6.0的速率已經(jīng)達(dá)到了64Gbps，USB4達(dá)到了40Gbps，并行總線DDR5也達(dá)到了驚人的6.4Gbps，同時，高速總線的調(diào)制模式也從以往的NRZ發(fā)展到了PAM4甚至更高階的調(diào)制技術(shù)。還有一些新型總線的出現(xiàn)，比如CCIX, GenZ，CXL等等。這些變化給工程師們帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。如何提高PCB設(shè)計的成功率以及設(shè)計的效率成為了工程師們的關(guān)鍵工作。而能夠減少返工引起的延期以及成本消耗的高速鏈路仿真越來越受到大家的重視。

高速PCB設(shè)計流程包含以下幾個步驟：

與傳統(tǒng)PCB設(shè)計相比，高速PCB設(shè)計在原理圖設(shè)計階段以及布線完成后都需要進(jìn)行信號與電源完整性分析。在原型機(jī)測試階段需要加入相應(yīng)的信號與電源完整性測試。

是德科技的先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）軟件是一個完整的高速電路仿真設(shè)計平臺，提供了完整的信號與電源完整性仿真解決方案。接下來我們從原理圖設(shè)計、版圖設(shè)計兩個角度進(jìn)行描述。

原理圖設(shè)計

在ADS原理圖環(huán)境中，有三種仿真器可以用于信號完整性的仿真和分析：

一、S參數(shù)仿真器

不管是在信號完整性中，還是電源完整性中，對于很多器件，包括芯片的封裝、傳輸線、過孔、連接器、線纜、電容等無源器件都會應(yīng)用 S 參數(shù)來表征其特性，對于一個完整的通道就需要對很多個 S 參數(shù)進(jìn)行級聯(lián)，在 ADS 中可以非常方便的級聯(lián)各類 S 參數(shù)，并非常靈活的進(jìn)行 S 參數(shù)仿真以及數(shù)據(jù)的處理。

對于單一的 S 參數(shù)，也可以在 ADS 中直接通過 S 參數(shù)查看器（S-parameter Viewer），檢查 S 參數(shù)的單端和混合模式的結(jié)果，在 S 參數(shù)查看器中，還可以檢查 S 參數(shù)的無源性、互易性、相位以及 Smith 圖。通過 S 參數(shù)仿真之后，在數(shù)據(jù)顯示窗口，可以查看結(jié)果曲線，也可以進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，加入規(guī)范模板等等。

S參數(shù)仿真可以幫助工程師分析在通道在頻域中的插入損耗（insertion loss）,回波損耗（Return loss）、串?dāng)_（crosstalk），等等。

二、瞬態(tài)仿真器(Transient)

瞬態(tài)仿真器經(jīng)典的時域仿真器。瞬態(tài)仿真器可以分析TDR，波形上升/下降(Waveform rising/falling)，振鈴(ringing)以及眼圖(eye pattern)等指標(biāo)參數(shù)。在瞬態(tài)仿真中可以把芯片IO模型(SPICE或IBIS)與通道模型一起進(jìn)行仿真。

三、通道(Channel)仿真器

對于高速串行總線，通常對誤碼率有比較嚴(yán)苛的要求，要求誤碼率非常低，所以不管是仿真還是測試，都需要有足夠多的采樣點數(shù)或者特殊的數(shù)學(xué)算法才能滿足分析誤碼率的要求。另外，隨著信號速率的不斷提高，單純的依靠芯片的簡單的驅(qū)動能力無法應(yīng)對信號在傳遞過程中的衰減，所以在高速串行總線的芯片中就會加入加重和均衡的算法，對于仿真而言，也需要有新的分析方法，這就需要使用ADS 中的通道仿真（ChannelSim），通道仿真完成之后，可以在數(shù)據(jù)顯示窗口上查看波形、浴盆曲線、眼圖等結(jié)果。

IBIS-AMI或者行為級IO模型可以用在通道仿真器中。如果需要建立IBIS-AMI模型，可以使用是德科技的系統(tǒng)仿真軟件SystemVue以及ADS。

PCB的仿真

一、SIPro/PIPro仿真分析工具

ADS 的版圖設(shè)計環(huán)境集成了全新的 SIPro/PIPro 仿真分析工具，可以幫助工程師快速高效地完成 PCB 設(shè)計中信號與電源完整性的版圖布局分析和版圖后仿真。

SIPro/PIPro 是內(nèi)嵌于 ADS 版圖設(shè)計環(huán)境中的功能模塊，它包含獨立的仿真界面及仿真器， 可以對版圖設(shè)計進(jìn)行分析。目前，ADS 版圖支持多種不同格式的設(shè)計文件導(dǎo)入，如 ODB++，Gerber，IFF, EGS，Allegro Brd等類型的文件。

SIPro/PIPro 包含以下功能：

1.?PI-DC，用于直流電壓降分析

由于過大的直流電壓降，落在 IC 電源端的電壓可能低于建議的最低電壓。這可能導(dǎo)致 IC 的故障。過高的電流密度在過孔處會生成過多的熱量，引起電路板裂開或燒化，導(dǎo)致故障。PI-DC 可以計算直流條件下的電壓、電流、IR Drop (電壓降)及電源供電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗密度等。PIPro 可以幫助工程師用戶識別芯片等器件的管腳和連接過孔等在直流工作條件下流過的電流密度，顯示芯片管腳電壓，并給出設(shè)計裕量。仿真結(jié)果還可以自動生成報告。

2.?PI-AC，用于 PDN 阻抗分析

PI-AC 分析用于提取電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）的交流阻抗特性，并且可以顯示電流密度，了解熱點區(qū)域。提取的阻抗網(wǎng)絡(luò)可以直接轉(zhuǎn)化為 ADS 的原理圖，與電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）模型和去耦電容進(jìn)行優(yōu)化。

PI-AC 分析允許在仿真中添加元件模型，如去耦合電容模型。軟件支持多種元件模型形式，如理想集總元件，S 參數(shù)模型，元器件廠家模型庫，自定義電路模型等。用戶可以一次為同一個元件定義多種模型，可以方便地在多個模型間進(jìn)行切換。

PI-AC 分析可以一次分析任意多個指定的電源網(wǎng)絡(luò)，僅更換元件模型時不需要重復(fù)進(jìn)行電磁仿真。便可獲得新的結(jié)果。

3. PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于電源平面諧振分析

電源平面諧振會干擾敏感的模擬電路，并生成過量的輻射。這可能導(dǎo)致設(shè)計不能滿足EMC 規(guī)范。電源平面諧振分析可以計算配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)的自諧振頻率和相應(yīng)的Q 值。它可以幫助你實現(xiàn)去耦電容和過孔的優(yōu)化布置。

4.?用于電熱聯(lián)合仿真的Electro-Thermal以及熱仿真分析Thermal

電源完整性分析中還集成了電熱仿真功能，能夠?qū)崿F(xiàn)電/熱協(xié)同仿真。電源完整性仿真引擎(DC Drop)對電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，提供功率密度給熱分析器，熱分析器再根據(jù)器件功耗運(yùn)行熱分析，系統(tǒng)多次迭代上述過程，獲取更新后的溫度值直到仿真收斂。

5.?Power-Aware Signal Integrity Analysis——用于與電源相關(guān)的信號完整性分析

在高速電路信號完整性設(shè)計中，信號電流的最短回流不經(jīng)不僅包含地平面，還往往包含電源平面。如果在提取信號走線 S 參數(shù)時，僅考慮參考地平面，不考慮電源平面，仿真的結(jié)果會有很大的誤差。SIPro 使用獨有的混合算法，可以快速提取信號走線（包含過孔）與地平面和電源平面的頻域模型。這一頻域模型可以直接轉(zhuǎn)換成 ADS 的原理圖，用于電路仿真，如時域瞬態(tài)（Transient）仿真，通道（Channel）仿真， DDR 總線仿真等。

6.?CEMI（Conducted EMI），用于PCB 電源傳導(dǎo)仿真分析

隨著在電子產(chǎn)品中往往需要進(jìn)行 EMC 的檢測分析，傳導(dǎo)就是 EMC 的一種。為了更好的發(fā)現(xiàn)、避免以及解決傳導(dǎo)的問題。在 PIPro 中可以利用 CEMI 對電路進(jìn)行傳導(dǎo)的仿真分析。

7.?阻抗快速掃描

SIPro/PIPro的仿真速度比傳統(tǒng)平面或3D電磁場仿真器提高10倍以上，同時其仿真精度也非常高，能夠達(dá)到與3D有限元法相媲美的水平。SIPro/PIPro用戶界面友好，簡化了仿真流程，還能方便生成ADS原理圖進(jìn)行電路分析。支持仿真非規(guī)則結(jié)構(gòu)和便捷設(shè)置Back drill過孔，同時允許用戶自由設(shè)置信號、電源端和參考端。此外，SIPro/PIPro提供Python接口，使電容模型庫管理更加便捷。仿真后SIPro/PIPro 還可以生成 test bench，以便在 ADS 原理圖中做進(jìn)一步的電路分析。總體而言，該軟件為電路設(shè)計師提供了高效、精準(zhǔn)、靈活的仿真工具，極大地提升了設(shè)計效率。

由于篇幅所限，關(guān)于SIPro/PIPro的更加具體介紹以及操作請參考以下文檔：? SIPro/PIPro 簡介

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二、EP-Scan電氣性能掃描軟件

SIPro/PIPro功能強(qiáng)大，更適合專業(yè)的信號完整性分析師使用。然而，在設(shè)計階段，硬件工程師或者PCB設(shè)計工程師或者測試工程師也需要考慮到信號與電源完整性問題，為了快速檢測布線后系統(tǒng)的電氣性能，讓硬件工程師們能夠及時發(fā)現(xiàn)初級的SI或者PI問題，是德科技還推出了EP-Scan（Electrical Performance Scan）電氣性能掃描軟件，有了它，硬件相關(guān)的工程師只需簡單的操作，就能進(jìn)行快速掃描，查看信號的電氣特性，找出潛在的信號完整性問題。

當(dāng)然，對于更復(fù)雜的信號完整性分析，依然需要SI工程師們的專業(yè)知識和技能，通過使用SIPro/PIPro進(jìn)行深入的分析和仿真來解決。

EP-Scan可以通過簡單的三個步驟解決信號完整性分析中的瓶頸問題。

1.加載設(shè)計和設(shè)置。使用EP-Scan，我們可以輕松加載PCB Layout設(shè)計或?qū)隣DB++文件。然后，我們選擇特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，更棒的是，我們還能為這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)定測試計劃，并選擇相應(yīng)的電器規(guī)范（EP-Scan內(nèi)置了一些電器規(guī)范，如PCIE、USB、DDR等），然后根據(jù)相應(yīng)的電氣規(guī)范對阻抗、延時、插入損耗和回波損耗等指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.進(jìn)行電氣性能掃描。這個步驟非常簡單，只需輕輕按下一個按鈕，就能一鍵運(yùn)行所有的測試計劃。此外，每當(dāng)我們對設(shè)計進(jìn)行修改時，我們可以再去自動運(yùn)行EP-Scan里面事先設(shè)定好測試計劃，以便輕松檢查信號完整性問題。這樣，我們可以在修改后立即獲得反饋，確保設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。

3.生成報告和存檔。在完成信號完整性分析后，EP-Scan可以一鍵生成詳細(xì)的報告。這個功能極大地簡化了結(jié)果的展示和存檔過程，避免了繁瑣的復(fù)制粘貼工作。我們可以輕松地分享分析結(jié)果給團(tuán)隊成員或管理層，并記錄下設(shè)計的進(jìn)展和改進(jìn)。這樣，我們能夠保持透明的溝通和高效的工作流程。

通過這三個簡單的步驟，EP-Scan為硬件工程師提供了方便、高效的工具，簡化了分析流程，節(jié)約時間和精力。它突破了性能驗證瓶頸，讓您專注于設(shè)計的優(yōu)化和改進(jìn)，更快地將產(chǎn)品推向市場。

EP-Scan?生成的測試報告

以上我們簡要介紹了大數(shù)據(jù)時代對高速PCB設(shè)計提出的挑戰(zhàn)，并闡述了如何借助ADS和EPScan這兩個工具提高設(shè)計工程師的效率。然而，大數(shù)據(jù)時代的到來不僅對高速PCB設(shè)計提出更高的要求，同時為其提供了更優(yōu)越的協(xié)同工作環(huán)境。云計算技術(shù)成為這一時代的一項極為有效的工具，尤其在工程中迫切需要迅速生成仿真報告的情況下。釋放計算資源的算力，充分利用仿真工具變得至關(guān)重要。ADS的HPC（High Performance Computing）加速服務(wù)大大提高了工程計算效率，使得我們能夠在最短時間內(nèi)獲取仿真結(jié)果，從而有助于提高工程產(chǎn)出。此外，通過使用Cliosoft工具，設(shè)計團(tuán)隊能夠在云平臺上實時共享設(shè)計文件、模型和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多地協(xié)同設(shè)計。這種協(xié)同方式極大地加速了設(shè)計流程，提高了團(tuán)隊協(xié)作的效率。