高速高密度PCB设计的新挑战概述

高速高密度PCB设计的新挑战概述

如何利用先进的EDA工具以及最优化的方法和流程，高质量、高效率的完成设计，已经成为系统厂商和设计工程师不得不面对的问题。

　　热点：从信号完整性向电源完整性转移
　　
    谈到高速设计，人们首先想到的就是信号完整性问题。信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量，当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题，信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。

　　
    信号完整性技术经过几十年的发展，其理论和分析方法都已经较为成熟。对于信号完整性问题，陈兰兵认为，信号完整性不是某个人的问题，它涉及到设计链的每一个环节，不但系统设计工程师、硬件工程师、PCB工程师要考虑，甚至在制造时也不能忽视。解决信号完整性问题，必须借助先进的仿真工具，如Cadence的SPECCTRAQuest就是不错的仿真工具，利用它可以在设计前期进行建模、仿真，从而形成约束规则指导后期的布局布线，提高设计效率。随着Cadence 在今年6月推出的专门针对千兆赫信号的仿真器MGH——它是业界首个可以在几秒之内完成数万BIT千兆赫信号的仿真器——信号完整性技术更臻完善。
　　
    相对于信号完整性，电源完整性是一种较新的技术，它被认为是高速高密度PCB设计目前最大的挑战之一。电源完整性是指在高速系统中，电源传输系统（PDS power deliver system）在不同频率上，阻抗特性不同，使PCB板上电源层与地层间的电压在电路板的各处不尽相同，从而造成供电不连续，产生电源噪声，使芯片不能正常工作；同时由于高频辐射，电源完整性问题还会带来EMC/EMI问题。如果不能很好地解决电源完整性问题，会严重影响系统的正常工作。
　　
    通常，电源完整性问题主要通过两个途径来解决：优化电路板的叠层设计及布局布线，以及增加退耦电容。退耦电容在系统频率小于300 ~ 400MHz时，可以起到抑止频率、滤波和阻抗控制的作用，在恰当的位置放置合适的退耦电容有助于减小系统电源完整性的问题。但是当系统频率更高时，退耦电容的作用很小。在这种情况下，只有通过优化电路板的层间距设计以及布局布线或者其他的降低电源、地噪声的方法（如适当匹配降低电源传输系统的反射问题）等来解决电源完整性问题，同时抑止EMC/EMI.

    对于信号完整性和电源完整性之间的关系，陈兰兵认为：“信号完整性是时域的概念，比较好理解，而电源完整性却是频域的概念，难度比信号完整性大，但在某些方面和信号完整性又有相通之处。电源完整性对工程师的技能要求更高，对于高速设计而言，是一个新的挑战。它不但涉及到板级，同时涉及到芯片和封装级。建议从事高速电路板设计的工程师在解决了信号完整性的基础上再做电源完整性。”据介绍，Cadence的电源完整性工具PI已推向市场，并已成功运用到很多客户的设计中。
　
　通过仿真 “软”化你的设计
　　
    仿真是对把各方面问题都考虑进去的虚拟原型的测试。由于设计越来越复杂，工程师不可能把每一种方案都拿来实施，此时只能借助先进的仿真代替试验进行判断。
　　
    今天的系统设计，除了面临高速高密度电路板所带来的挑战外，产品快速面世的压力更是使仿真成为系统设计必不可少的手段。设计者希望利用先进的仿真工具，在设计阶段即找出问题，从而高效率、高质量地完成系统设计。
　　
    传统的电路板设计，工程师很少借助仿真的手段。更多的时候是利用上游芯片厂商提供的参考设计和设计指导规则（即白皮书），结合工程师的实际经验进行设计，然后将设计生产出来的原型机进行反复测试试验、找出问题、修改设计，这样周而复始，直至问题基本全部解决。即时偶尔采用仿真工具进行设计，也只局限于局部电路。修改电路意味着时间上的延迟，这种延迟在产品快速面世的压力下是无法接受的，尤其对于大型系统，一处小小的修改也许需要将整个设计推翻重来，正所谓“牵一发而动全身”，它给厂商带来的损失是无法估量的。
　　
    产品质量的难以保证、开发周期的不可控、对工程师经验的过分依赖……这些因素使上述设计方法难以应对越来越复杂的高速高密度PCB设计所带来的挑战，因而必须借助先进的仿真工具加以解决。“上游芯片厂商给的设计方案是建立在他们自己样板的基础上的，而系统厂商的产品和上游厂商的样板不可能完全一样；同时，一个芯片的设计要求可能和另一个的相互矛盾，这时必须通过仿真来确定设计方案。”陈兰兵说。
　　
    从某种意义上讲，仿真就是让软件在虚拟原型上完成以前需要通过对物理原型的测试才能够完成的功能评价，是一种更为“软”化和更加经济的方案。
　　
    然而高速高密度电路板的仿真和传统的仿真又有所不同。Mentor Graphics公司技术工程师尤立夫介绍：“传统的仿真是针对原理图而做的，它只是加激励，看输出，由此来判断功能是否正确；而高速仿真是在功能正确的前提下，看设计的性能如何，它既针对原理图，同时针对PCB设计。”利用仿真工具，可以判断哪一个方案更贴近实际需求，在满足性能要求的基础上，判断哪一个的成本更低，在性能设计和系统成本之间找到一个平衡点。尤立夫说：“利用仿真工具，可以判断系统改进的方向是否正确，为设计指明方向，提高一板成功率，使产品更快走向市场。但是，无论仿真的结果多么接近测试结果，它都不能代替实际的测试系统。"