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如何解决高速PCB的SI/EMI问题

2018年05月22日 07:18 次阅读

高速高密度多层PCB板的SI/EMC(讯号完整性/电磁兼容)问题长久以来一直是设计者所面对的最大挑战。然而,随着主流的MCU、DSP和处理器大多工作在100MHz以上(有些甚至工作于GHz级以上),以及越来越多的高速I/O埠和RF前端也都工作在GHz级以上,再加上应用系统的小型化趋势导致的PCB空间缩小问题,使得目前的高速高密度PCB板设计已经变得越来越普遍。许多产业分析师指出,在进入21世纪以后,80%以上的多层PCB设计都将会针对高速电路。

高速讯号会导致PCB板上的长互连走线产生传输线效应,它使得PCB设计者必须考虑传输线的延迟和阻抗搭配问题,因为接收端和驱动端的阻抗不搭配都会在传输在线产生反射讯号,而严重影响到讯号的完整性。另一方面,高密度PCB板上的高速讯号或频率走线则会对间距越来越小的相邻走线产生很难准确量化的串扰与EMC问题。SI和EMC的问题将会导致PCB设计过程的反复,而使得产品的开发周期一再延误。

一般来说,高速高密度PCB需要复杂的阻抗受控布线策略才能确保电路正常工作。随着新型组件的电压越来越低、PCB板密度越来越大、边缘转换速率越来越快,以及开发周期越来越短,SI/EMC挑战便日趋严峻。为了达到这个挑战的要求,目前的PCB设计者必须采用新的方法来确保其PCB设计的可行性与可制造性。过去的传统设计规则已经无法满足今日的时序和讯号完整性要求,而必须采取包含仿真功能的新款工具才足以确保设计成功。

目前业界适用于解决这类SI/EMC问题的主要PCB设计工具有Cadence的Allegro PCB SI 230/630和EMControl、明导国际的HyperLynx和Quiet Expert、图研(Zuken)的Hot-Stage和EMC Adviser,以及AlTIum的PCB Designer和P-CAD。 Cadence的Allegro PCB SI 230/630提供了一种弹性化且整合的解决方案,它是一种完整的SI/PI(功率完整性)/EMI问题的协同解决方案,适用于高速PCB设计周期的每个阶段,并解决与电气性能相关的问题。

PCB是系统中主要的辐射源,因此,控制系统中所有PCB的EMI辐射,以提高系统抗干扰的能力是确保产品通过EMC测试的最好方法。具体来说,PCB上的EMI问题是由多种噪声源引起的,如讯号噪音(反射和串扰)、电源/接地噪音与天线等。为了有效减少PCB上的EMI,这些讯号的电源/接地噪音,以及天线噪声源都必须加以考虑。由于讯号噪声源是SI问题、电源/接地噪声源是PI问题,因此EMC问题的解决最终则须依靠正确的SI、PI和EMI设计,而不仅是考虑EMC的问题。Cadence亚太区高速技术中心技术顾问钟章民表示。 他接着说:“在设计中就透过模拟和限制过程来解决SI和PI问题,便可以实际控制EMI问题的根源,不但减少了后期由SI/PI/EMI问题而纠错的周期,也降低了产品无法通过EMC测试的风险。”

不同的实际设计具有不同的EMC特定要求,这可以透过EMC工程师所建置的规则来实现。这些限制条件有些可在Allegro中的规则管理器中设置,有些不能或实时检查的耗时条件规则需要进行后期检查。手动进行这种检查是一件非常费时费力的事情,为此Cadence发布了EMControl工具,它提供了自动大量处理检查这些EMI/SI/PI规则,并进行交互式设计的方法,使客户可以在此平台上开发适合自己的各种规则。

如何解决高速PCB的SI/EMI问题

市场上现有的一些EMC工具可以帮助工程师解决一些EMI的问题,然而,却没有一种工具可完全准确地模拟EMI效果的工具。目前市场上的EMI模拟工具既费时费力、成本高昂,也无法从根本上解决系统的EMC问题。如果PCB设计者可真正将EMC问题放到设计阶段来考虑,那么不仅可以获得更好的EMC设计效果,而且可以降低设计成本,因而大幅提高了产品通过EMC测试的机会。

Cadence资深技术营销经理穆珍博士也强调指出:“尽管其它的一些EDA厂商也推出了类似EMControl专家系统的规则检查方案,但对客户来讲,如何将SI、PI与EMI的问题在设计阶段就一并考虑并加以严格控制,已经成为业界主流的高性价比设计方法和系统EMC问题解决方案。在这一点上,目前只有Cadence的Allegro PCB SI 230/630工具才能够在一个平台上解决和完成。”

Mentor声称,其HyperLynx高速工具套件可用在任何一个设计流程中分析讯号完整性、消除串扰和设计早期检测出的EMC问题,因而使得PCB设计者可在第一时间发现和消除SI/EMC问题。其EMC模拟分析工具Quiet Expert采用了一种‘专家系统’算法来寻找和发现PCB上的EMC问题,它可显示存在EMC问题的布线网络,并提供实用的建议,以协助用户解决相应的EMC问题。由于它透过使用复杂的算法来避免进行费时的模拟和建模,因此反应速度很快。

图研的Hot-Stage是一个功能强大的高速电路SI/EMC/EMI系统分析软件包,它由规则管理器、网络拓朴编辑器、虚拟原型分析编辑器、仿真器、仿真库编辑器和原型布局布线编辑器组成,而为PCB设计者提供了一个工程化的虚拟原型设计环境。其中的仿真器可以完成时域和频域的高精密度电磁场模拟分析,并采用PCB的基本设置和电路设定参数解算出PCB的各种电路参数,如传输线参数、特征阻抗参数、PCB网线的串扰,以及与讯号相关的各种特征值。同时,它也可实现所规定的的布局布线,完成对各种传输线搭配网络中各项参数的最佳化,以设计出最优质的网络搭配。

EMC Adviser是采用专家设计规则的EMC分析工具,它探用图研的EMC定量模拟分析工具EMC Work bench开发而成。图研将EMC Work bench的优点结合无法以定量模拟工具检查和分析EMI/EMC问题的走线方式,整理出24项专家设计规则,这使得目前大多数不具备电磁干扰/电磁兼容理论知识的普通PCB设计者也可根据这些规则快速方便地解决高速高密度PCB设计中出现的EMC问题。

专业的EMC Work bench要求PCB设计者必须懂得SI/EMC的基本理论与其实际应用,以及正确的组件仿真模型和合理的仿真边界条件设置,而这些基本要求往往是目前许多PCB设计者所缺乏的。图研株式会社中国业务拓展部总经理Kenji Yamamoto介绍道,EMC Work bench是一套非常专业和复杂的EMC分析工具,以前即使在日本也只有2%左右的工程师能够独立熟练地使用这套工具。

整体来说,“Quiet Expert和HyperLynx并不是非常专业的EMI仿真系统,它们跟图研的EMC Work bench是无法相提并论的。”Yamamoto表示。

Kenji Yamamoto自信地表示:“目前全球唯有图研可真正将复杂的EMI/EMC仿真工具以EMC设计规则的方式整合在PCB设计工具中。藉由EMC Adviser,可使99%的普通PCB设计人员也能解决高速高密度PCB上的EMC问题。” 不过,他也强调:“EMC Adviser不可能让PCB设计者一次解决所有的EMC问题,它只能协助设计者有效地降低设计反复次数,大约从以前的10次降低到4次。” 值得注意的是,EMC Adviser也无法完全解决应用系统的EMC问题,它只能解决因PCB布局布线而引起的EMC问题,因为全应用系统的EMC问题还涉及电路设计、I/O和功率组件选择、功率分配、输出端口配置,以及机械设计。图研株式会社中国华南区技术经理李鸿润补充道。

他接着说,今后解决PCB板上EMI问题的一大发展趋势是用可挠性PCB来连接具有不同层级的PCB硬板,这可省却EMI辐射较大的输出端口和I/O组件,因而有效地改善EMC问题,提高全系统的可靠性和节省系统成本。

不过,尽管EMC设计规则的出现、直观的系统提示,以及SI/EMC问题的解决不再像以前那样困难,但SI/EMC模拟分析工具实际上的使用还是非常困难的,很少有用户能够独立掌握和真正有效使用;为了让客户充分有效地使用,专业的系统咨询服务常常是必须的。

Yamamoto强调指出:“与竞争对手相较,我们的另一个优势是,图研提供SI/EMC分析软件工具,并可为向客户提供专家咨询服务。这是我们独特的技术优势,目前图研在中国、日本和德国有许多资深的SI/EMC专家已可现场为客户提供服务。”

此外,尽管Cadence声称Allegro PCB SI 630足以因应今日的几个GHz级的PCB设计挑战,但大多数业界人士认为,GHz级以下的PCB设计可以采用上述工具来实现,但对于工作频率超过GHz的电路,一般需要采用其它高频设计工具,如安捷伦的EEsof 和Ansoft的Ansoft Designer、HFSS和Nexxim。

图研的Kenji Yamamoto也坦率地承认了这一点。“图研新一代的PCB全整合设计工具套件CR-5000支持的电路最高工作频率为GHz左右,支持的PCB层数则无限制。一般来说,超过GHz的电路需要采用Ansoft和安捷伦的射频分析软件来做,因为此时电路的特性已接近射频。”他说,“CR-5000支持原理图和版图级设计分割和整合,这使得整块PCB可被分成高速电路部份、逻辑部份和电源部份来做设计分割,然后再在版图级整合起来。”

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发表于 2018-05-06 08:25 1187次阅读
怎么才能获得符合EMI标准的电源

AD铺地后有一个引脚没有连上,虽然可以手动连上,想知道为什么,求大神解答

发表于 2018-05-05 09:06 95次阅读
AD铺地后有一个引脚没有连上,虽然可以手动连上,想知道为什么,求大神解答

pcb双面板及多层板的抄板方法_四层pcb板快速...

本文主要介绍的是pcb双面板及多层板的抄板方法及四层pcb板快速抄板的步骤教程,具体的跟随小编来详细...

发表于 2018-05-04 18:00 249次阅读
pcb双面板及多层板的抄板方法_四层pcb板快速...

pcb抄板如何处理扫描图片_pcb抄板处理扫描图...

 PCB史板一个重要的过程就是将电路板实物的电路转换为可电脑处理的PCB线路文件实现这个过程的一个环...

发表于 2018-05-04 17:45 134次阅读
pcb抄板如何处理扫描图片_pcb抄板处理扫描图...

pcb如何抄板_pcb抄板流程图及详细步骤_pc...

PCB抄板的技术实现过程简单来说,就是先将要抄板的电路板进行扫描,记录详细的元器件位置,然后将元器件...

发表于 2018-05-04 17:25 155次阅读
pcb如何抄板_pcb抄板流程图及详细步骤_pc...

铺铜是什么?PCB中铺铜作用分析

信号完整性要求,给高频数字信号一个完整的回流路径,并减少直流网络的布线。当然还有散热,特殊器件安装要...

发表于 2018-05-04 17:03 147次阅读
铺铜是什么?PCB中铺铜作用分析

PCB丝印的重要性_PCB丝印网板制作工艺详解

本文首先介绍了PCB丝印的范围及重要性,其次介绍了PCB丝印的规范,最后阐述了PCB丝印网板制作工艺...

发表于 2018-05-04 16:47 128次阅读
PCB丝印的重要性_PCB丝印网板制作工艺详解

pcb丝印的规范及要求_pcb丝印怎么加

PCB板丝印层即文字层,它的作用是为了方便电路的安装和维修等,在PCB板的上下两表面印刷上所需要的标...

发表于 2018-05-04 16:06 247次阅读
pcb丝印的规范及要求_pcb丝印怎么加

一文汇总PCB电路设计的六大原则

设计PCB时,往往很想使用自动布线。通常,纯数字的电路板(尤其信号电平比较低,电路密度比较小时)采用...

发表于 2018-05-04 15:50 148次阅读
一文汇总PCB电路设计的六大原则

pcb开窗怎么设计_PCB设计怎样设置走线开窗

本文主要介绍的是pcb开窗,首先介绍了PCB设计中的开窗和亮铜,其次介绍了如何实现PCB走线开窗上锡...

发表于 2018-05-04 15:37 239次阅读
pcb开窗怎么设计_PCB设计怎样设置走线开窗

如何设计这些不规则形状的PCB

如果您返还租来的汽车,那么可能可以看到服务员用手持扫描仪读取汽车信息,然后与办公室进行无线通信。该设...

发表于 2018-05-04 15:19 347次阅读
如何设计这些不规则形状的PCB

新人求助!!!!为什么在PCB上无法布线,布线就会显示绿色,如下图

发表于 2018-05-03 22:23 570次阅读
新人求助!!!!为什么在PCB上无法布线,布线就会显示绿色,如下图

PCB高频板材有哪些?pcb高频板材分类

本文首先介绍了PCB高频板的定义,其次介绍了PCB高频板材的分类,最后介绍了高频高速板材材料以及选择...

发表于 2018-05-03 16:31 434次阅读
PCB高频板材有哪些?pcb高频板材分类

一文读懂双面电路板焊接方法

本文开始介绍了电路板焊接技巧与焊接注意事项,其次介绍了双面电路板特性,最后详细介绍了双面电路板焊接方...

发表于 2018-05-03 15:16 452次阅读
一文读懂双面电路板焊接方法

pcb化学镍金常见问题及缺陷分析

化学镍金工艺具有高度的平整性、均匀性、可焊性或耐腐蚀性等,正日益受到广大客户的青睐,本文就实际生产中...

发表于 2018-05-03 15:13 281次阅读
pcb化学镍金常见问题及缺陷分析

简单DIY印制电路板设计制作过程

本文开始介绍了设计印制电路板的大体步骤,其次介绍了印制电路板设计遵循的原则与印制电路板的装配,最后介...

发表于 2018-05-03 14:55 303次阅读
简单DIY印制电路板设计制作过程

pcb化学镍金工艺流程介绍

化学镍金又叫沉镍金,业界常称为无电镍金(Electroless Nickel Immersion G...

发表于 2018-05-03 14:50 98次阅读
pcb化学镍金工艺流程介绍

印制电路板设计心得体会_设计印制电路板的五个技巧

本文开会对印制电路板设计进行了概述,其次介绍了成功设计印制电路板的五个技巧,最后介绍了印制电路板设计...

发表于 2018-05-03 14:34 436次阅读
印制电路板设计心得体会_设计印制电路板的五个技巧

设计PCB布局图核安装晶体谐振器的要点

振荡电路图案长度振荡电路中信号图案长度应尽可能短,尽可能减少杂散电容/电感。不应在振荡电路中使用插孔...

发表于 2018-05-03 11:48 339次阅读
设计PCB布局图核安装晶体谐振器的要点

你知道pcb印制板还能还原电路图吗?(还原技巧及...

本文开始介绍了PCB印制板分类与特点,其次详细介绍了PCB印制板快速绘制电路图技巧,最后介绍了pcb...

发表于 2018-05-03 10:17 149次阅读
你知道pcb印制板还能还原电路图吗?(还原技巧及...

为什么叫印制电路板?印制电路板来由介绍

本文首先阐述了为什么叫印制电路板以及印制电路板来源与发展,其次介绍了印制电路板的优点和制作工艺,最后...

发表于 2018-05-03 09:59 97次阅读
为什么叫印制电路板?印制电路板来由介绍

佳世达推智慧工厂 提升品质与效能生产成本下降

【捷多邦PCB】佳世达分阶段导入智慧工厂,董事长陈其宏昨(25)日表示,透过高度自动化,可以加快订单...

发表于 2018-05-03 09:40 363次阅读
佳世达推智慧工厂 提升品质与效能生产成本下降

印制电路板的质量要求_印制电路板的原理

本文首先阐述了印制线路板的制造原理,其次介绍了印制电路板的质量控制和印制电路板质量认证的基本要求,最...

发表于 2018-05-03 09:33 248次阅读
印制电路板的质量要求_印制电路板的原理

减少PCB设计上电磁干扰(EMI)的最佳方法之一

如前所述,有源滤波和CMRR可以可靠地降低器件频带限制范围内的电路噪声,包括高至MHz范围的DM和C...

发表于 2018-05-03 08:52 785次阅读
减少PCB设计上电磁干扰(EMI)的最佳方法之一

一个电源EMI的实际整改过程

说到EMC的整改问题,相信各位接触过的工程师都会有很刻记忆。在网上或身边也了解一些朋友对EMC的认识...

发表于 2018-05-03 08:43 1552次阅读
一个电源EMI的实际整改过程

印制电路板基础知识点汇总_印制电路板制作过程

本文开始介绍了印刷电路板概念与分类,其次介绍了印制电路板特性与作用,最后详细介绍了印刷电路板的设计以...

发表于 2018-05-03 08:41 213次阅读
印制电路板基础知识点汇总_印制电路板制作过程

TI推出新一代高性能 ,并具有更低功耗、更快响应...

放大器是一种传统的模拟器件。经过几十年的发展,现在的运算放大器能够满足绝大多数应用的需求。因此,与数...

发表于 2018-05-02 14:55 117次阅读
TI推出新一代高性能 ,并具有更低功耗、更快响应...

一文解读铝基板pcb制作规范及设计规则

本文开始介绍了铝基板的技术要求与铝基板线路制作,其次介绍了铝基板pcb制作规范,最后详细介绍了PCB...

发表于 2018-05-02 14:45 208次阅读
一文解读铝基板pcb制作规范及设计规则

埋嵌元件PCB的元件互联技术概述及对埋嵌元件PC...

从室温初始状态到260 ℃一边升温一边进行数点的测量,确认了室温初始状态时翘曲小的倾向,即L1侧表现...

发表于 2018-05-02 10:29 375次阅读
埋嵌元件PCB的元件互联技术概述及对埋嵌元件PC...

AD画pcb时出现Unknown Pin,怎么回事

发表于 2018-05-01 22:05 356次阅读
AD画pcb时出现Unknown Pin,怎么回事

工程师设计经验分享:画FPGA开发板所犯的那些错...

这里先截下我最初画这个开发板的一张惨不忍睹的PCB让大家看看。TopLayer如图: BottomL...

发表于 2018-05-01 20:48 532次阅读
工程师设计经验分享:画FPGA开发板所犯的那些错...

你知道PCB的接地对机箱泄露有什么影响吗?

你在设计产品时,PCB上的信号地与金属机箱连接吗,你根据什么决定他们怎样连接?PCB板上的信号地与屏...

发表于 2018-04-30 22:24 648次阅读
你知道PCB的接地对机箱泄露有什么影响吗?

埋嵌元件PCB的元件互联技术和评价解析

埋嵌元件基板由于元器件的三维配置而使PCB或者模组小型化,缩短元件之间的连接路径,降低传输损失,它是...

发表于 2018-04-30 17:44 844次阅读
埋嵌元件PCB的元件互联技术和评价解析