如何解决高速PCB的SI/EMI问题

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。

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。”