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高速高密度PCB設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)概述 - PCB制造相關(guān)

發(fā)布時(shí)間:2016-08-17 08:48:59 分類:資料中心

 高速高密度PCB設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)概述

如何利用先進(jìn)的EDA工具以及優(yōu)化的方法和流程,高質(zhì)量、高效率的完成設(shè)計(jì),已經(jīng)成為系統(tǒng)廠商和設(shè)計(jì)工程師不得不面對(duì)的問題。

  熱點(diǎn):從信號(hào)完整性向電源完整性轉(zhuǎn)移

談到高速設(shè)計(jì),人們首先想到的就是信號(hào)完整性問題。信號(hào)完整性主要是指信號(hào)在信號(hào)線上傳輸?shù)馁|(zhì)量,當(dāng)電路中信號(hào)能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)接收芯片管腳時(shí),該電路就有很好的信號(hào)完整性。當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)或者信號(hào)質(zhì)量不能使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí),就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題,信號(hào)完整性主要表現(xiàn)在延遲、反射、串?dāng)_、時(shí)序、振蕩等幾個(gè)方面。一般認(rèn)為,當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時(shí),就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題,而隨著系統(tǒng)和器件頻率的不斷攀升,信號(hào)完整性的問題也就愈發(fā)突出。元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號(hào)的布線等這些問題都會(huì)引起信號(hào)完整性問題,導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,甚至完全不能正常工作。

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信號(hào)完整性技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,其理論和分析方法都已經(jīng)較為成熟。對(duì)于信號(hào)完整性問題,陳蘭兵認(rèn)為,信號(hào)完整性不是某個(gè)人的問題,它涉及到設(shè)計(jì)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié),不但系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、硬件工程師、PCB工程師要考慮,甚至在制造時(shí)也不能忽視。解決信號(hào)完整性問題,必須借助先進(jìn)的仿真工具,如Cadence的SPECCTRAQuest就是不錯(cuò)的仿真工具,利用它可以在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行建模、仿真,從而形成約束規(guī)則指導(dǎo)后期的布局布線,提高設(shè)計(jì)效率。隨著Cadence 在今年6月推出的專門針對(duì)千兆赫信號(hào)的仿真器MGH——它是業(yè)界首個(gè)可以在幾秒之內(nèi)完成數(shù)萬(wàn)BIT千兆赫信號(hào)的仿真器——信號(hào)完整性技術(shù)更臻完善。

相對(duì)于信號(hào)完整性,電源完整性是一種較新的技術(shù),它被認(rèn)為是高速高密度PCB設(shè)計(jì)目前大的挑戰(zhàn)之一。電源完整性是指在高速系統(tǒng)中,電源傳輸系統(tǒng)(PDS power deliver system)在不同頻率上,阻抗特性不同,使PCB板上電源層與地層間的電壓在電路板的各處不盡相同,從而造成供電不連續(xù),產(chǎn)生電源噪聲,使芯片不能正常工作;同時(shí)由于高頻輻射,電源完整性問題還會(huì)帶來EMC/EMI問題。如果不能很好地解決電源完整性問題,會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作。

通常,電源完整性問題主要通過兩個(gè)途徑來解決:優(yōu)化電路板的疊層設(shè)計(jì)及布局布線,以及增加退耦電容。退耦電容在系統(tǒng)頻率小于300 ~ 400MHz時(shí),可以起到抑止頻率、濾波和阻抗控制的作用,在恰當(dāng)?shù)奈恢梅胖煤线m的退耦電容有助于減小系統(tǒng)電源完整性的問題。但是當(dāng)系統(tǒng)頻率更高時(shí),退耦電容的作用很小。在這種情況下,只有通過優(yōu)化電路板的層間距設(shè)計(jì)以及布局布線或者其他的降低電源、地噪聲的方法(如適當(dāng)匹配降低電源傳輸系統(tǒng)的反射問題)等來解決電源完整性問題,同時(shí)抑止EMC/EMI.

對(duì)于信號(hào)完整性和電源完整性之間的關(guān)系,陳蘭兵認(rèn)為:“信號(hào)完整性是時(shí)域的概念,比較好理解,而電源完整性卻是頻域的概念,難度比信號(hào)完整性大,但在某些方面和信號(hào)完整性又有相通之處。電源完整性對(duì)工程師的技能要求更高,對(duì)于高速設(shè)計(jì)而言,是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。它不但涉及到板級(jí),同時(shí)涉及到芯片和封裝級(jí)。建議從事高速電路板設(shè)計(jì)的工程師在解決了信號(hào)完整性的基礎(chǔ)上再做電源完整性。”據(jù)介紹,Cadence的電源完整性工具PI已推向市場(chǎng),并已成功運(yùn)用到很多客戶的設(shè)計(jì)中。 

通過仿真 “軟”化你的設(shè)計(jì)

仿真是對(duì)把各方面問題都考慮進(jìn)去的虛擬原型的測(cè)試。由于設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜,工程師不可能把每一種方案都拿來實(shí)施,此時(shí)只能借助先進(jìn)的仿真代替試驗(yàn)進(jìn)行判斷。

今天的系統(tǒng)設(shè)計(jì),除了面臨高速高密度電路板所帶來的挑戰(zhàn)外,產(chǎn)品快速面世的壓力更是使仿真成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的手段。設(shè)計(jì)者希望利用先進(jìn)的仿真工具,在設(shè)計(jì)階段即找出問題,從而高效率、高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電路板設(shè)計(jì),工程師很少借助仿真的手段。更多的時(shí)候是利用上游芯片廠商提供的參考設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)則(即白皮書),結(jié)合工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),然后將設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來的原型機(jī)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試試驗(yàn)、找出問題、修改設(shè)計(jì),這樣周而復(fù)始,直至問題基本全部解決。即時(shí)偶爾采用仿真工具進(jìn)行設(shè)計(jì),也只局限于局部電路。修改電路意味著時(shí)間上的延遲,這種延遲在產(chǎn)品快速面世的壓力下是無(wú)法接受的,尤其對(duì)于大型系統(tǒng),一處小小的修改也許需要將整個(gè)設(shè)計(jì)推翻重來,正所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”,它給廠商帶來的損失是無(wú)法估量的。

產(chǎn)品質(zhì)量的難以保證、開發(fā)周期的不可控、對(duì)工程師經(jīng)驗(yàn)的過分依賴……這些因素使上述設(shè)計(jì)方法難以應(yīng)對(duì)越來越復(fù)雜的高速高密度PCB設(shè)計(jì)所帶來的挑戰(zhàn),因而必須借助先進(jìn)的仿真工具加以解決。“上游芯片廠商給的設(shè)計(jì)方案是建立在他們自己樣板的基礎(chǔ)上的,而系統(tǒng)廠商的產(chǎn)品和上游廠商的樣板不可能完全一樣;同時(shí),一個(gè)芯片的設(shè)計(jì)要求可能和另一個(gè)的相互矛盾,這時(shí)必須通過仿真來確定設(shè)計(jì)方案。”陳蘭兵說。

從某種意義上講,仿真就是讓軟件在虛擬原型上完成以前需要通過對(duì)物理原型的測(cè)試才能夠完成的功能評(píng)價(jià),是一種更為“軟”化和更加經(jīng)濟(jì)的方案。

然而高速高密度電路板的仿真和傳統(tǒng)的仿真又有所不同。Mentor Graphics公司技術(shù)工程師尤立夫介紹:“傳統(tǒng)的仿真是針對(duì)原理圖而做的,它只是加激勵(lì),看輸出,由此來判斷功能是否正確;而高速仿真是在功能正確的前提下,看設(shè)計(jì)的性能如何,它既針對(duì)原理圖,同時(shí)針對(duì)PCB設(shè)計(jì)。”利用仿真工具,可以判斷哪一個(gè)方案更貼近實(shí)際需求,在滿足性能要求的基礎(chǔ)上,判斷哪一個(gè)的成本更低,在性能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。尤立夫說:“利用仿真工具,可以判斷系統(tǒng)改進(jìn)的方向是否正確,為設(shè)計(jì)指明方向,提高一板成功率,使產(chǎn)品更快走向市場(chǎng)。但是,無(wú)論仿真的結(jié)果多么接近測(cè)試結(jié)果,它都不能代替實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)。"

來源:高速高密度PCB設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)概述 - PCB制造相關(guān)

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