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高速电路设计的挑战和应对策略(贤集网刊)

2016-2-24 17:12:05  1192
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  根据《电子系统设计》举办的年度“中国电子工程师系统设计能力调查”结果显示,EMI/EMC抗干扰设计、电源管理、信号处理、无线/RF设计、嵌入式应用软件、低噪声电路设计、PCB设计是工程师在系统设计过程中面临的关键设计挑战。这其中,很多问题都是复合呈现,并不是单一因素作用的结果,尤其是PCB设计在以上很多问题中都扮演着重要的角色。


    以最让工程师头痛的EMI/EMC问题为例,在芯片选定之后,板级EMC问题就成了系统整机EMC问题的源头。如果只把问题聚焦于EMC整改,通过在实验室更换各种EMC器件、线缆,使用各种屏蔽方式来解决问题,往往需要投入相当多的时间和物料成本,同时由于EMC问题的复杂性和不确定性,让广大工程师畏之如虎,称其为魔法黑盒子。殊不知当我们追根溯源,在PCB板级做好EMC设计,处理好高速信号完整性问题和电源完整性问题时,很多EMC的问题也就迎刃而解。对于电源设计、RF设计、数模混合设计而言无不如此。PCB设计在系统中扮演的角色越来越重要,这也是一博科技(Edadoc)一直倡导的观点:PCB设计不再是硬件开发的附属,而是产品硬件开发中“前端IC,后端PCB,SE集成”的重要一环。


    让我们深入思考一下,造成以上所有问题的根源,还是信号的上升时间,高速设计问题带来了大部分的设计挑战,同时也让PCB设计越来越复杂。信号的上升时间加快导致高速问题越来越严重:高速信号衍生的高次谐波,延伸了频带宽度;频谱分量的增多以及电源问题的突出,增加了EMC设计的难度;串扰也和信号的上升时间密切相关,各种干扰变得更加复杂;信号的上升时间的进一步降低,使得电路分析从“路”到“场”转变,甚至要从微波的角度去考虑数字信号的问题。这样就会对PCB设计工程师带来极大的挑战,应根据系统工程师提供的原理方案,通盘考虑SI、PI、EMI、结构、散热等因素,并需要了解当前主流PCB工厂的加工能力、工艺来完成PCB设计。高级PCB设计工程师不仅要完成传统的布局布线工作,而且要处理好由于高速背景下的传输线效应带来的“隐藏的原理图”。常规PCB设计包括建库、调网表、布局、布线、文件输出等几个步骤,但常规PCB设计流程(如图1所示)已经远远不能满足日益复杂的高速PCB设计要求。由于SI仿真、PI仿真、EMC设计、单板工艺等都需要紧密结合到设计流程中,同时为了实现品质控制,要在各节点增加评审环节,实际的PCB设计流程要复杂得多。图2为PCB设计公司一博科技的较典型的PCB设计流程,能更好地解决高速设计带来的问题。



    高速PCB设计流程把设计和仿真紧密结合在一起,通过前仿真得到电路设计的约束规则,在约束的驱动下进行PCB的布局布线,同步进行的后仿真验证设计的可行性。完善的前后仿真,不仅能够确保电路设计的功能实现,还能解决高速带来的各种相关问题。信号完整性仿真,在确保信号质量满足功能实现的同时,还可以有效控制过冲,以避免器件长期工作在过高的电平条件下导致失效。严格控制信号的边沿速率 (Skew rate),在满足功能要求的条件下,尽量减小信号的频谱分量,从而有效抑制EMI。通过电源完整性(PI)仿真,合理设置层叠方案,降低电源阻抗,而通过减小电源纹波也同样有助于控制EMI。现在已经有一些比较智能的电容优化类软件(如OptimizePI和PI ADVIser等),可以按照各种需求提出最合适的电源滤波方案,如最佳性价比方案,最佳EMC性能方案等。利用直流压降(也叫IR-Drop)仿真,不仅能保证电源通道的载流要求,同时可通过电热参数,进行静态电热仿真,合理规划散热方案,从设计源头上进行热设计优化。


    高速设计还有一个关键难点,就是前期做了严密的仿真,但是后期生产加工没有依照这些参数,比如阻抗控制偏差过大,层叠方案被随意更改,钻孔工艺不合格等,这会导致仿真所做的优化工作成为无用功。而生产因素产生的问题有时又很难被检查和确认,这就让工程师的精力耗费在各个环节的问题定位上。一博科技提供了基于高速PCB的一站式服务,首先从设计、仿真在源头上控制高速问题,同时是基于行业标准的角度而不是单一工厂的习惯来满足可生产性和可加工性,最后在PCB生产加工时严格按照设计和仿真的要求执行,这样就从全流程上满足了高速设计的要求。


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