從PCB設(shè)計(jì)談高性能手機(jī)仿真優(yōu)化

2019年全年，智能手機(jī)上市新機(jī)型424款。每年數(shù)百款手機(jī)推陳出新，手機(jī)廠商如何才能脫穎而出，先人一步？事實(shí)證明，從PCB設(shè)計(jì)源頭就做好把控是重要且關(guān)鍵的一環(huán)。

PCB板是電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)組件，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的功能和壽命。近兩年，PCB市場(chǎng)重點(diǎn)已從計(jì)算機(jī)、通信領(lǐng)域轉(zhuǎn)向智能手機(jī)、平板電腦類移動(dòng)終端。與此同時(shí)，電子產(chǎn)品包括智能手機(jī)也日益朝著智能化、輕薄化、精密化方向發(fā)展。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的與日俱增，將給PCB設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更大的設(shè)計(jì)難度，他們也將很難在設(shè)計(jì)開發(fā)早期階段就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

設(shè)計(jì)前的可行性分析

據(jù)了解，針對(duì)PCB不同的板型和IC平臺(tái)方案，同一款手機(jī)或同時(shí)有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行幾套不同的PCB設(shè)計(jì)方案，在存在多種PCB方案都需要評(píng)估時(shí)，前期的可行性分析（布局及布線通道評(píng)估）將依賴資深工程師花費(fèi)大量的時(shí)間。

此外，當(dāng)前一款電子產(chǎn)品的研發(fā)，PCB板尺寸越來(lái)越小，器件數(shù)量顯著增加，同樣為PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的困擾。在100%布通率的前提下，還要兼顧信號(hào)質(zhì)量和可制造性等多方面的因素。在保證質(zhì)量的前提下，同時(shí)又要追求更高的性價(jià)比，這就給項(xiàng)目增加了更大的難度。這些問(wèn)題都將就導(dǎo)致在整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)周期內(nèi)，前期評(píng)估時(shí)間占據(jù)了很大的比例。

而傳統(tǒng)的評(píng)估方式有兩種：一是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，其缺點(diǎn)是評(píng)估結(jié)果不夠準(zhǔn)確；二是根據(jù)實(shí)際的布局布線來(lái)評(píng)估，此方式評(píng)估結(jié)果精準(zhǔn)，但耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。另外，上述兩種方式均面臨著評(píng)估無(wú)法協(xié)同進(jìn)行、評(píng)估結(jié)果很難被復(fù)用的缺點(diǎn)。

如何快速精準(zhǔn)地進(jìn)行前期的評(píng)估，得到可行性的設(shè)計(jì)方案，是加速產(chǎn)品上市的重要之舉。為此，Mentor帶來(lái)了基于Xpedition的高效布局平臺(tái)。借助該平臺(tái)，在滿足精準(zhǔn)評(píng)估的同時(shí)還能節(jié)省時(shí)間，評(píng)估結(jié)果還可以被后面的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)直接復(fù)用，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，傳統(tǒng)評(píng)估方式需要兩到三周時(shí)間，而采用Mentor的評(píng)估方案，時(shí)間將縮短在一周之內(nèi)，相當(dāng)于為客戶節(jié)省了三分之二的時(shí)間。

為何Mentor的平臺(tái)能獨(dú)具優(yōu)勢(shì)？一方面，當(dāng)前主流的手機(jī)芯片廠商大多是基于Mentor的Xpedition平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，由此，當(dāng)他們的產(chǎn)品交給下游手機(jī)廠商后，若后者同樣采用Mentor平臺(tái)，就可直接復(fù)用參考設(shè)計(jì)，并做精準(zhǔn)的評(píng)估。另一方面，Xpedition平臺(tái)上的工具眾多、功能健全，得以加速評(píng)估，提高效率。

據(jù)了解，目前主流的手機(jī)廠商基本都采用了Mentor的平臺(tái)方案進(jìn)行手機(jī)設(shè)計(jì)的前期評(píng)估。

布線后的仿真優(yōu)化

隨著PCB 高速信號(hào)設(shè)計(jì)越發(fā)普遍，電子電路的設(shè)計(jì)越發(fā)面臨信號(hào)完整性、電源完整性、熱、電磁兼容等問(wèn)題挑戰(zhàn)。因此，在經(jīng)過(guò)前期的可行性分析，并完成PCB板的布線后，還需要對(duì)PCB板進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)中引入仿真驗(yàn)證手段，將大大提升產(chǎn)品開發(fā)效率、設(shè)計(jì)正確性。

在這其中，電源完整性仿真是主要的挑戰(zhàn)之一。電源完整性設(shè)計(jì)的水平直接影響著系統(tǒng)的性能，如整機(jī)可靠性，信噪比與誤碼率，及EMI/EMC等重要指標(biāo)。隨著電路信號(hào)邊沿速率上升、大量I/O同時(shí)切換、低功耗設(shè)計(jì)等變化到來(lái)，電源傳輸問(wèn)題日益重要。就以智能手機(jī)為例，其PCB板的電源仿真面臨著幾大痛點(diǎn)：手機(jī)設(shè)計(jì)中的Power Domain分組往往非常復(fù)雜，為了進(jìn)行電源完整性仿真，工程師往往需要花費(fèi)非常多的時(shí)間在繁瑣的端口設(shè)定上，使得仿真過(guò)程花費(fèi)大量時(shí)間，還將導(dǎo)致工程師沒(méi)有時(shí)間做去耦電容的優(yōu)化。

為此，Mentor帶來(lái)自動(dòng)化的電源優(yōu)化方案。傳統(tǒng)的方法需要大量時(shí)間編輯端口，采用Mentor自動(dòng)化設(shè)定端口方案，客戶可根據(jù) Power Domain信息，自動(dòng)創(chuàng)建需要的端口，可以大大縮短端口編輯時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明，采用此方案，端口建立所需時(shí)間可從2天降低至十分鐘，而在設(shè)計(jì)出現(xiàn)改動(dòng)后也無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間重新編輯端口。另外， Mentor還提供了自動(dòng)去耦方案優(yōu)化方案，HyperLynx 軟件平臺(tái)可自動(dòng)識(shí)別去耦電容的端口模式，通過(guò)調(diào)用 PDN優(yōu)化器，使用優(yōu)化算法進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，做到同時(shí)減少電容種類和數(shù)量。

與此同時(shí)，去耦方案的常規(guī)檢查、去耦設(shè)計(jì)的前期評(píng)估、EMI相關(guān)的電源平面檢查等難題統(tǒng)統(tǒng)可通過(guò)Mentor方案迎刃而解。

重要的軟件工具

優(yōu)異的評(píng)估和仿真方案的實(shí)現(xiàn)離不開重要軟件平臺(tái)的支撐，上述方案主要涉及到Mentor的Xpedition、HyperLynx PI、HyperLynx DRC等軟件平臺(tái)。

Xpedition是一個(gè)企業(yè)級(jí)解決方案，具有完整的設(shè)計(jì)流程，包括元器件庫(kù)設(shè)計(jì)與管理、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理、SI/PI仿真、EMC/EMI分析、熱分析及數(shù)?；旌戏抡娴?。與同類產(chǎn)品相比，強(qiáng)大的流程管理和數(shù)據(jù)管理、并行設(shè)計(jì)，協(xié)同設(shè)計(jì)，集成式驗(yàn)證等優(yōu)勢(shì)是Xpedition獨(dú)有的標(biāo)簽。

而面向PCB設(shè)計(jì)人員的新Xpedition平臺(tái)，為設(shè)計(jì)師提供了用于復(fù)雜PCB物理設(shè)計(jì)、分析和加工一整套可伸縮的工具，它將交互設(shè)計(jì)和自動(dòng)布線有機(jī)地整合到一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境中。設(shè)計(jì)師可以定義所有設(shè)計(jì)規(guī)則，包括高速布線約束，創(chuàng)建板型，布局，交互布線和自動(dòng)布線等，直到加工文件生成。采用Xpedition平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)流程中的驗(yàn)證，從而使部署更加簡(jiǎn)單，加快實(shí)現(xiàn)結(jié)果的速度，并使客戶能夠最大化投資回報(bào)。

HyperLynx是Mentor公司的電子電路仿真驗(yàn)證系列工具，提供了完整的仿真分析功能，包括電氣設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC/ERC）、信號(hào)完整性（SI）、電源完整性（PI）、板級(jí)熱分析、3D電磁場(chǎng)建模分析等。這一套完整的分析和驗(yàn)證軟件，可以在PCB設(shè)計(jì)流程中隨時(shí)滿足工程師的需求。通過(guò)與設(shè)計(jì)流程的緊密集成，HyperLynx使PCB工程師能夠有效地分析，解決和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求，以避免代價(jià)高昂的重復(fù)性設(shè)計(jì)，加快上市時(shí)間和降低成本。

其中，HyperLynx DRC是一個(gè)強(qiáng)大、快速、可全面自定義的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查工具。它可以對(duì)不易仿真的復(fù)雜設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證，例如EMI/EMC 規(guī)則。

HyperLynx PI是Mentor針對(duì)日益顯著的電源完整性（PI）問(wèn)題推出的分析工具。其界面友好，易學(xué)易用，可以快速得到仿真結(jié)果。HyperLynx PI能夠識(shí)別潛在的直流電源分配問(wèn)題、優(yōu)化PDN電源分配網(wǎng)絡(luò)等。

據(jù)了解，93%的HyperLynx客戶認(rèn)為采用HyperLynx進(jìn)行虛擬原型制作可以通過(guò)最大程度地減少重復(fù)設(shè)計(jì)并消除物理原型來(lái)降低成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。

如果說(shuō)此前工程師還苦于沒(méi)有找到合適且優(yōu)異的前期評(píng)估和仿真驗(yàn)證方案，現(xiàn)在機(jī)會(huì)來(lái)了，Mentor不僅帶來(lái)了方案，還為此進(jìn)行了專題研討會(huì)。