如何實現(xiàn)高速連接器信號完整性分析？

前言

隨著5G、AI、云計算、數(shù)據(jù)中心以及高性能計算等技術的興起，互連系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸帶寬逐漸增加，連接器作為整個互連系統(tǒng)的關鍵器件，對提高互連系統(tǒng)傳輸帶寬至關重要，也是整個系統(tǒng)的傳輸瓶頸。對高速連接器實現(xiàn)3D建模與分析，提取S參數(shù)，準確分析其插入損耗、回波損耗、串擾等信號完整性性能，可有效提高連接器的傳輸性能，從而提升整個互連系統(tǒng)的傳輸能力。

本文主要使用芯和半導體Hermes平臺演繹了“怎樣對高速連接器與PCB進行3D建模和電磁分析，優(yōu)化其信號完整性，從而提升高速連接器的傳輸能力。”

Hermes平臺簡介

芯和半導體的Hermes平臺中集成有Layered、3D與X3D三大流程，分別應用于不同的業(yè)務場景：

Layered流程主要針對各類封裝、PCB和封裝+PCB協(xié)同仿真流程，支持導入多種格式的Layout設計文件，包括Cadence的.mcm/.sip/.brd、ODB++以及GDS文件，同時提供了Lead Frame流程，可導入DXF文件進行建模；

3D流程主要針對純3D結構建模與仿真，支持導入SAT/STP格式文件進行建模仿真，支持SAT/STP文件與Layout設計文件協(xié)同建模與仿真，支持用戶自定義3D模型進行建模仿真；

X3D流程主要用于抽取3D模型的RLGC寄生參數(shù)。

Hermes 3D模塊高速連接器

與PCB協(xié)同建模仿真流程介紹

1.連接器SAT模型與PCB模型導入

本次應用案例主要使用Hermes 3D流程創(chuàng)建QSFP28連接器與PCB的聯(lián)合模型進行電磁仿真，抽取S參數(shù)來分析連接器性能。

首先，在菜單欄選中Project->3D，創(chuàng)建Hermes 3D工程，如圖1。

圖 1

創(chuàng)建Hermes 3D流程

接著，在菜單欄選中Model->SAT，如圖2，選中SAT文件，導入QSFP28連接器模型，在圖3中進行SAT文件配置。

圖2

導入SAT文件

圖 3

SAT配置界面

如下①~⑥條是對SAT配置界面進行說明：

①導入預覽界面可以在左側視圖中旋轉查看；

②Part列是識別到的所有結構體的名稱；

③Material列是根據(jù)結構的所屬材料進行顯示，后續(xù)導入結構會按照此材料類型進行分類顯示；

④Model列可以控制導入的模型，不勾選即不導入，重復點擊model，可以控制所有結構勾選或不勾選的狀態(tài)；

⑤Visibility列控制左側界面中單個結構體的顯隱；

⑥點擊OK，完成此次模型導入。

接下來，導入PCB模型，在Project Manager窗口選中連接器模型，右鍵點擊Attach加載PCB模型，如圖4，PCB模型在Hermes Layerd流程處理之后導出成SAT模型，此處導入的SAT模型與上述導入的流程一致，此處不在贅述。

圖4

加載PCB模型

2.幾何圖形的材料設置

連接器與PCB模型導入之后，顯示如圖5，選中具體幾何圖形設置材料，如圖6。

圖5

連接器模型與PCB模型導入

圖6

模型材料設置

3.連接器與PCB模型裝配

在Hermes 3D模塊中可以使用Move功能將連接器模型與PCB模型進行移動和裝配，實現(xiàn)連接器與PCB的聯(lián)合建模，如圖7。

圖7

連接器與PCB模型裝配

4.邊界條件及端口設置

Hermes 3D流程中支持輻射邊界條件、PEC邊界條件、RLC邊界條件和PML邊界條件等多種邊界條件。此案例中，使用輻射邊界條件，在Project Manager窗口右鍵點擊Boundary->Add Airbox來添加輻射邊界，如圖8。

圖8

添加輻射邊界條件

在Hermes 3D中支持多種端口類型，如圖9，用戶可以自定義各種類型的端口。

圖9

端口類型

5.求解條件設置

設置求解條件，如圖10，Hermes具備Adaptive和Balance兩種網(wǎng)格剖分策略：

Adaptive模式會根據(jù)計算的實際需要動態(tài)改變計算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格結構，在電磁場變化劇烈的計算區(qū)域，采用空間尺度較小的精細網(wǎng)格予以計算，在電磁場變化緩慢的區(qū)域，采用空間尺度較大的粗網(wǎng)格來計算，從而提高計算精度和計算效率。

Balance模式不參與求解器迭代，求解效率較高，適用于設計前期或者大尺模型計算求解。

勾選“Auto MPI”，求解器會自動調(diào)用MPI模塊加速求解器計算效率。

圖10

求解條件

6.查看仿真結果

仿真完成以后，在Project Manager窗口點擊Results，查看網(wǎng)格與S參數(shù)，如圖11。

圖11

查看網(wǎng)格及S參數(shù)

總結

本文主要介紹了如何在Hermes平臺中導入連接器的SAT模型與PCB完成聯(lián)合建模，如何快捷編輯材料、邊界條件、端口等屬性，再利用Hermes的自適應網(wǎng)格剖分技術與有限元算法實現(xiàn)連接器與PCB的協(xié)同EM仿真，提取S參數(shù)，最終實現(xiàn)分析與優(yōu)化連接器的信號完整性，提升連接器的傳輸速率。

審核編輯：湯梓紅