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电源完整性之apsim-spi篇

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-04-06 21:14    浏览量:
Apsim-spi的电源完整性在PCB设计中,高速电路布局布线和质量分析无疑是工程师们讨论的焦点。特别是今天的电路工作频率越来越高,如一般的数字信号处理(DSP)电路板应用频率在150-200Mhz很常见,CPU板在实际应用中达到500MHz以上就不足为奇了,通信行业Ghz Circuit设计一直很受欢迎。所有这些PCB板的设计通常使用多层板技术来实现。在多层板设计中,采用电源层设计技术是不可避免的。
 
在电源层设计中,往往因各种类型的电源混合应用,使设计变得非常复杂。那么困扰PCB工程师的挑战是什么?如何定义PCB中的层数?包含多少层?每层的内容如何最合理的安排?
 
如果应该有几层,信号层和层如何交替排列等等。如何设计各种电源块系统?如3.3V,2.5V,5V,12V等。
 
电源层的合理分割和共存是影响PCB稳定性的一个非常重要的因素。如何设计去耦电容?使用去耦电容消除开关噪声是一种常用手段,但如何确定其电容?放置电容器在哪里?
 
何时使用何种类型的电容器等。如何消除地面反弹噪音?地弹噪声如何影响和干扰有用信号?如何消除环路(返回路径)噪声?
 
在很多情况下,不合理的电路设计是电路不起作用的关键,而电路设计往往是工程师最无助的工作。如何合理地设计当前的分布?
 
特别是地电层中的电流分布设计非常困难,如果PCB板中的总电流分布不均匀,将直接而明显地影响PCB板的不稳定工作。另外,还存在一些常见的诸如上冲,下冲,振铃(振荡),延迟,阻抗匹配,毛刺等奇数变化问题的相关信号,但这些问题与上述问题密不可分。
 
他们之间存在因果关系。一般而言,应从信号完整性(SI ---信号完整性)和电源完整性(PI ---电源完整性)两个方面考虑高质量高速PCB板的设计。虽然更直接的结果表明信号完整性,其原因,大家绝不能忽视电源完整性的设计。
 
因为电源完整性直接影响最终PCB板的信号完整性。 PCB工程师之间存在很大的误解,特别是那些使用传统EDA工具进行高速PCB设计的人。许多工程师问大家,“为什么使用EDA的SI信号完整性工具分析结果与大家使用仪器进行实际测试的结果不一致,并且分析结果通常更理想?” “事实上,问题很简单。这个问题的原因是:一方面,EDA制造商的技术人员没有明确说明,另一方面,PCB设计师对模拟结果的理解。大家知道目前在中国市场上使用更多EDA工具主要是SI(信号完整性)分析工具,SI基于布线和设备模型而不考虑电源分析的影响,大多数甚至模拟设备都没有考虑(假设理想)可以想象,这种分析的结果和实际结果肯定存在错误。
 
因为在大多数情况下,PCB板中电源完整性的影响比SI更严重。目前,虽然一些EDA制造商也部分提供了PI(电源完整性)分析功能,但由于其分析功能与SI(信号完整性)完全分离,用户仍然无法查看和实际测试结果接近分析报告。 PI和SI密切相关。在许多情况下,影响信号奇异性的主要原因是电源系统。
 
例如,去耦电容设计不合理,地层设计不合理,电路影响严重,电流分布不均匀,弹性噪声过大等问题。作为一名PCB设计工程师,其实我希翼看到一份接近分析报告的实际结果,这样就很容易纠正和排除故障,从而真正意义上的仿真设计效果。 SPI工具的出现使上述讨论成为可能。 SPI的首字母缩写词是Signal-Power Integrity,根据定义,它是一种分析工具它集成了SI信号完整性和PI电源完整性。
 
因此SI和PI不再是孤立的。 APSIM-SPI是业内首款将信号完整性与电源完整性相结合的产品。 借助SPI工具,PCB工程师可以从这个相对真实的模拟波形进行观察,并与仪器的实际测试非常接近波形。
也就是说,从那时起理论设计和实际测试具有可比性。先前的SI功能是假设功率层等是在理想条件下的隔离分析。虽然有很好的辅助效果,但没有整体效果,用户很难根据SI分析结果简单地排除错误。假设一块PCB板,由于它的VCC和GROUND线布非常精细,此时电路自然不起作用。使用示波器和其他仪器,也很容易发现信号发生奇数变化非常严重。但是,如果在一般SI分析工具中使用这种易于设想的设计,则无法模拟奇怪变化情况的信号。在这种情况下,尽管波形的模拟结果是完整的,但没有奇怪的变化,但实际上已经奇怪到不工作的程度。因此,一些工程师曾问过:“当大家将电源线和地线放入PCB板时,为什么SI模拟中的信号波形没有变化,无论多窄?” “原因是在SI模拟中不考虑PI,也就是说,不考虑电源线和地线。解决这个问题的唯一方法是使用SPI工具.SPI分析SI信号完整性是充分考虑地面电源层,包括地线中的信号层,以及大面积的信号填充等。这些地层的不稳定信号或干扰将完全叠加在仿真结果上通过这种方式,可以模拟真实的实际工作效果,当然最终结果接近实际的测试结果。
 
工程师可以直观地考虑和纠正。 APSIM-SPI为了实现SI和PI的有机结合,无论从内部模型,计算方法,用户界面,分析功能和仿真机制等方面都做了重大调整。目的是在用户仍然方便使用的前提下,确保SPI功能的完善。例如,当RLGC建模和分布参数提取时,SPI的RLGC参数提取比先前的简单SI参数提取复杂得多。
 
因为在SPI中,必须充分考虑接地电层的寄生参数,以及接地线和信号线之间的连接。 APSIM-SPI将充分考虑地电层对信号奇变化分析的影响。因为SPI结合了地平层的寄生参数模型和信号布线的参数模型,以及设备IBIS或SPICE模型。
 
因此,无论您设计的是去耦电容,滤波电容,终端电阻等模拟元件还是电路中SSO开关的工作噪声,地面弹性噪声等都会在最终的仿真结果中反映出波形。使用APSIM的SPI工具,PCB工程师可以直观地观察信号的奇异性,并在设计PCB板时及时进行调整。如果您发现地布不够宽,信号会产生噪音,甚至变形,那么您可以调整地线的宽度直到满意为止。而在过去,地面线应该更宽,毕竟?工程师只能根据经验进行调试,没有工具可以帮助他们进行设计引导。如果地布不好,导致PCB板不工作的可能性会非常大。但是今天的PCB板是如此复杂,不仅地面宽度问题,还应包括地平面填充,多层地板设计,特别是地平面分割技术处理等,不同频率使用不同的处理方法。如果仅限于有限的经验肯定无法满足设计要求。
 
现在借助APSIM-SPI,PCB工程师可以轻松了解他的地平面,地面系统设计是否合理有效。例如,在设计多层板时,许多工程师在想要考虑每层的排列方式时,通常不知道是先将信号层放在第一层还是先形成第一层?信号层和地层交替释放是集中释放吗?
现在,工程师可以根据SPI仿真的结果清楚地了解哪种方法最有效。如:当接地层上有多个电源时,如3.3V的焊盘,2.5V的焊盘,5V的焊盘等,如何分割处理?在过去,工程师只能依靠有限的经验,而且只能从边界划分来简单地考虑合理性。如果这方面的设计不合理,后果是可以想象的,我相信工程师有很深的经验。但是,由于层板通常位于PCB板的中间层,因为物理接触根本不存在,因此很难修改调试。实际上,在多功率地层设计中,不仅要考虑各个区域之间的界限,还要考虑过滤问题,常见问题等。利用SPI工具,工程师可以轻松地进行合理的多功率区域分割设计。
 
如果它是不合理的,那么信号将在模拟期间变形,这在过去根本不可能完成。在处理地面炸弹噪声和SSO开关噪声时,大家知道这种噪声的严重程度(在EDA中,这种噪声在PI电源完整性分析范围内总结),尤其是高速PCB,经常遇到不稳定的工作状态,事实上,很可能是由于开关噪声或地面炸弹引起的噪音。工程师还必须知道一些简单的方法来处理它。但从定量的角度考虑,这是非常复杂的。例如,消除SSO开关噪声的一种简单有效的方法是在电源和地之间添加滤波电容,常见的方法是添加一些不同质量和类型的电解电容,工程师必须容易定量地确定最大电压这些电容器,(只要可以计算PCB板的工作电压),但是,如何定量地确定这些电容器的容量,(电容值)往往只是根据经验,或参考其他电路的设计。因为理论上很难计算。特别是,目前的PCB板电路非常复杂,以至于不太容易依赖于手动计算。电容器的放置也是不容易确定的因素之一。但是,这些电解电容器的放置位置与它们所起的过滤效果密切相关。
 
(常见的方法是将电源入口放置在PCB板上)。现在使用APSIM-SPI工具,工程师可以轻松设计和验证这些滤波电容的效果。并有效地确定放置这些电容器的位置及其电容值。
坚决不要过多的电容,应该有电容一定不能少! APSIM-SPI还具有许多与信号奇异性和仿真设计相关的功能。大家认为目前的高速PCB板设计必须采用先进的辅助手段来实现,SPI结合多年的设计经验,采用先进的SI和PI分析技术,直接和真实地模拟PCB的具体工作状态板,更接近实际测试结果。 SPI提供了一个新的调试平台,允许多年基于经验的方法过渡到模拟环境。大大提高了高速PCB设计的成功率。 SPI已逐渐成为业界高速PCB设计工程师最受欢迎和最必要的设计分析工具。 SPI与业界其他PCB设计工具密切合作。
 
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