HyperLynx在主板设计中的仿真应用

HyperLynx在主板设计中的仿真应用
中国航天科工集团第七零六研究所 蒋志翔、秦爱军
[前言]
信号完整性问题是高速PCB 设计者必需面对的问题。阻抗匹配、合理端
接、正确拓扑结构解决信号完整性问题的关键。
传输线上信号的传输速度是有限的，信号线的布线长度产生的信号传输延
时会对信号的时序关系产生影响，所以PCB 上的高速信号的长度以及延时要仔
细计算和分析。
运用信号完整性分析工具进行布线前后的仿真对于保证信号完整性和缩短
设计周期是非常必要的。在PCB 板子已焊接加工完毕后才发现信号质量问题和
时序问题，是经费和产品研制时间的浪费。
1.1 板上高速信号分析
我们设计的是基于PowerPC 的主板，主要由处理器MPC755、北桥MPC107、
北桥PowerSpanII、VME 桥CA91C142B 等一些电路组成，上面的高速信号如图
2-1 所示。板上高速信号主要包括：时钟信号、60X 总线信号、L2 Cache 接口信号、
Memory 接口信号、PCI 总线0 信号、PCI 总线1 信号、VME 总线信号。这些信号
的布线需要特别注意。
由于高速信号较多，布线前后对信号进行了仿真分析，仿真工具采用
Mentor 公司的Hyperlynx7.1 仿真软件，它可以进行布线前仿真和布线后仿
真。
1.2 印制板信号完整性整体设计
1.2.1 层叠结构
在传输线（PCB 走线）中的磁力线是沿逆时针方向的，如果把RF 返回路径
与对应的源路径平行并且与其靠近，在返回路径中的磁力线（延逆时针方向的
场），相对于源路径中的磁力线（顺时针方向的场），将是相反的方向。这样
顺时针场和逆时针场可以抵消。如果源和返回路径之间的磁力线被消除或减小，那么除了在走线附近极小的面积，辐射或传导的RF 电流就不存在了。多层
印制板可以实现通量最小化，这是采用多层电路板的原因之一。信号层靠近参
考层，信号返回路径直接位于信号线的下方，回路面积最小，通量抵消最明
显。
为了实现通量最小化，必须实现PCB 板上信号层和参考层交错排列，这
样，每个信号层都有相邻的参考层。考虑到本板上的芯片数多，特别密集，而
且电气网络也特别多，所以采用多少层的PCB 要仔细安排，多了或少了都不
好：
如果层数太少，布线将变得很困难，甚至可能完不成布线。当然在布线过
程中如果感觉布线空间不够，可以再增加层数，但加层后要对已完成的布线做
许多调整，重新安排一些走线规则，这将增加许多工作量。
如果层数太多，加工成本增加，板子厚度可能失控。目前4 层板的板费为
0.5 元/平方厘米左右，而六层板的板费为1.5 元/平方厘米左右。印制板层数
每增加两层，板费要增加好几倍。按VME64 总线标准，印制板厚度应为
1.6±0.2mm，即63±8mil，目前国内的印制板设备，采用的板芯一般最薄的为
5mil 厚，铜层厚度有0.5 盎司、1.0 盎司、1.5 盎司等规格，如果层数太多，
印制板厚度无法满足要求。
1.2.2 阻抗考虑
PCI2.2 规范要求PCB 上的信号线在未焊接器件之前的特征阻抗为60Ω－
100Ω，VME64 规范要求PCB 上的信号线在未焊接器件之前的特征阻抗为50Ω－
60Ω。按目前的集成电路生产工艺，50Ω－100Ω 的阻抗是比较合适的，不同
的信号有一些差别。现在比较好的PCB 加工设备，能加工线宽4mil、间距4mil
的印制线。根据阻抗要求和目前PCB 加工设备现状，信号线基本采用5mil 线宽
和5mil 间距，对有些信号线的阻抗，如果层间距和印制板基材介电常数调整无
法满足要求，可以采用4mil 的信号线布线。
1.2.3 传输速度
PCI2.2 规范要求PCB 上的信号线在无负载时的传输速度为150ps/inch－
190ps/inch。PCB 上的信号线在无负载情况下的传输速度只与介质材料的介电小，那么除了在走线附近极小的面积，辐射或传导的RF 电流就不存在了。多层
印制板可以实现通量最小化，这是采用多层电路板的原因之一。信号层靠近参
考层，信号返回路径直接位于信号线的下方，回路面积最小，通量抵消最明
显。
为了实现通量最小化，必须实现PCB 板上信号层和参考层交错排列，这
样，每个信号层都有相邻的参考层。考虑到本板上的芯片数多，特别密集，而
且电气网络也特别多，所以采用多少层的PCB 要仔细安排，多了或少了都不
好：
如果层数太少，布线将变得很困难，甚至可能完不成布线。当然在布线过
程中如果感觉布线空间不够，可以再增加层数，但加层后要对已完成的布线做
许多调整，重新安排一些走线规则，这将增加许多工作量。
如果层数太多，加工成本增加，板子厚度可能失控。目前4 层板的板费为
0.5 元/平方厘米左右，而六层板的板费为1.5 元/平方厘米左右。印制板层数
每增加两层，板费要增加好几倍。按VME64 总线标准，印制板厚度应为
1.6±0.2mm，即63±8mil，目前国内的印制板设备，采用的板芯一般最薄的为
5mil 厚，铜层厚度有0.5 盎司、1.0 盎司、1.5 盎司等规格，如果层数太多，
印制板厚度无法满足要求。
1.2.2 阻抗考虑
PCI2.2 规范要求PCB 上的信号线在未焊接器件之前的特征阻抗为60Ω－
100Ω，VME64 规范要求PCB 上的信号线在未焊接器件之前的特征阻抗为50Ω－
60Ω。按目前的集成电路生产工艺，50Ω－100Ω 的阻抗是比较合适的，不同
的信号有一些差别。现在比较好的PCB 加工设备，能加工线宽4mil、间距4mil
的印制线。根据阻抗要求和目前PCB 加工设备现状，信号线基本采用5mil 线宽
和5mil 间距，对有些信号线的阻抗，如果层间距和印制板基材介电常数调整无
法满足要求，可以采用4mil 的信号线布线。
1.2.3 传输速度
PCI2.2 规范要求PCB 上的信号线在无负载时的传输速度为150ps/inch－
190ps/inch。PCB 上的信号线在无负载情况下的传输速度只与介质材料的介电小，那么除了在走线附近极小的面积，辐射或传导的RF 电流就不存在了。多层
印制板可以实现通量最小化，这是采用多层电路板的原因之一。信号层靠近参
考层，信号返回路径直接位于信号线的下方，回路面积最小，通量抵消最明
显。
为了实现通量最小化，必须实现PCB 板上信号层和参考层交错排列，这
样，每个信号层都有相邻的参考层。考虑到本板上的芯片数多，特别密集，而
且电气网络也特别多，所以采用多少层的PCB 要仔细安排，多了或少了都不
好：
如果层数太少，布线将变得很困难，甚至可能完不成布线。当然在布线过
程中如果感觉布线空间不够，可以再增加层数，但加层后要对已完成的布线做
许多调整，重新安排一些走线规则，这将增加许多工作量。
如果层数太多，加工成本增加，板子厚度可能失控。目前4 层板的板费为
0.5 元/平方厘米左右，而六层板的板费为1.5 元/平方厘米左右。印制板层数
每增加两层，板费要增加好几倍。按VME64 总线标准，印制板厚度应为
1.6±0.2mm，即63±8mil，目前国内的印制板设备，采用的板芯一般最薄的为
5mil 厚，铜层厚度有0.5 盎司、1.0 盎司、1.5 盎司等规格，如果层数太多，
印制板厚度无法满足要求。
1.2.2 阻抗考虑
PCI2.2 规范要求PCB 上的信号线在未焊接器件之前的特征阻抗为60Ω－
100Ω，VME64 规范要求PCB 上的信号线在未焊接器件之前的特征阻抗为50Ω－
60Ω。按目前的集成电路生产工艺，50Ω－100Ω 的阻抗是比较合适的，不同
的信号有一些差别。现在比较好的PCB 加工设备，能加工线宽4mil、间距4mil
的印制线。根据阻抗要求和目前PCB 加工设备现状，信号线基本采用5mil 线宽
和5mil 间距，对有些信号线的阻抗，如果层间距和印制板基材介电常数调整无
法满足要求，可以采用4mil 的信号线布线。
1.2.3 传输速度
PCI2.2 规范要求PCB 上的信号线在无负载时的传输速度为150ps/inch－
190ps/inch。PCB 上的信号线在无负载情况下的传输速度只与介质材料的介电

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