大數(shù)據(jù)時(shí)代，如何提高高速PCB設(shè)計(jì)效率？

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，無論是數(shù)據(jù)中心的解決方案、汽車與工業(yè)設(shè)備，還是日常消費(fèi)電子產(chǎn)品，各類設(shè)備的信號(hào)傳輸速率正以前所未有的速度提升。以PCIe 6.0為例，其傳輸速率已高達(dá)64Gbps；USB4緊隨其后，達(dá)到了40Gbps的速度；而并行總線DDR5也實(shí)現(xiàn)了每秒6.4Gbps的驚人速率。與此同時(shí)，高速總線的調(diào)制方式已經(jīng)從傳統(tǒng)的NRZ演進(jìn)至PAM4，甚至探索更高階的調(diào)制技術(shù)。此外，隨著CCIX、GenZ、CXL等新型總線技術(shù)的涌現(xiàn)，工程師們面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

如何提高PCB設(shè)計(jì)的成功率和效率，已成為工程師工作的重中之重。減少因返工造成的項(xiàng)目延期和成本增加，通過高速鏈路仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，逐漸成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。這種仿真方法不僅有助于應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，而且能夠顯著提升設(shè)計(jì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)表現(xiàn)。

高速PCB設(shè)計(jì)流程包含以下幾個(gè)步驟：

與傳統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)相比，高速PCB設(shè)計(jì)在原理圖設(shè)計(jì)階段以及布線完成后都需要進(jìn)行信號(hào)與電源完整性分析。在原型機(jī)測(cè)試階段需要加入相應(yīng)的信號(hào)與電源完整性測(cè)試。

是德科技的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）軟件是一個(gè)完整的高速電路仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，提供了完整的信號(hào)與電源完整性仿真解決方案。接下來我們從原理圖設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行描述。

原理圖設(shè)計(jì)

在ADS原理圖環(huán)境中，有三種仿真器可以用于信號(hào)完整性的仿真和分析：

一、S參數(shù)仿真器

無論是在信號(hào)完整性還是電源完整性的領(lǐng)域中，S參數(shù)被廣泛用于表征多種器件的特性，包括芯片封裝、傳輸線、過孔、連接器、線纜及電容等無源元件。對(duì)于一個(gè)完整的通道設(shè)計(jì)來說，往往需要對(duì)多個(gè)S參數(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)處理。在ADS（Advanced Design System）軟件中，用戶可以非常便捷地實(shí)現(xiàn)各類S參數(shù)的級(jí)聯(lián)，并靈活執(zhí)行S參數(shù)仿真以及數(shù)據(jù)處理。

針對(duì)單個(gè)S參數(shù)，ADS提供了直觀的S參數(shù)查看器（S-parameter Viewer），使用戶能夠輕松檢查單端和混合模式下的S參數(shù)結(jié)果。此外，該查看器還支持驗(yàn)證S參數(shù)的無源性、互易性、相位關(guān)系，并展示Smith圖，為工程師提供全面的數(shù)據(jù)分析視角。完成S參數(shù)仿真后，在數(shù)據(jù)顯示窗口中，用戶不僅能查看仿真結(jié)果曲線，還能進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，如應(yīng)用規(guī)范模板等操作。

通過S參數(shù)仿真的應(yīng)用，工程師能夠在頻域中詳細(xì)分析通道的插入損耗（insertion loss）、回波損耗（return loss）、串?dāng)_（crosstalk）等關(guān)鍵性能指標(biāo)，有效提升設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。這種方法不僅簡(jiǎn)化了復(fù)雜通道的設(shè)計(jì)流程，也為優(yōu)化產(chǎn)品性能提供了強(qiáng)有力的支持。

二、瞬態(tài)仿真器(Transient)

瞬態(tài)仿真是時(shí)域仿真中的一種經(jīng)典方法，能夠?qū)Χ喾N重要參數(shù)進(jìn)行分析，包括時(shí)域反射（TDR）、波形的上升和下降時(shí)間（Waveform rising/falling）、振鈴現(xiàn)象（Ringing），以及眼圖（Eye Pattern）等。在瞬態(tài)仿真過程中，可以將芯片的輸入/輸出模型（如SPICE或IBIS模型）與通道模型結(jié)合在一起進(jìn)行綜合仿真。這種方法使得工程師能夠全面評(píng)估整個(gè)信號(hào)路徑的性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)以確保信號(hào)完整性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，并有效解決高速電路設(shè)計(jì)中的潛在問題。通過這種仿真手段，不僅提升了設(shè)計(jì)效率，還增強(qiáng)了對(duì)復(fù)雜電路行為的理解和預(yù)測(cè)能力。

三、通道(Channel)仿真器

對(duì)于高速串行總線而言，通常對(duì)誤碼率（BER）有著極為嚴(yán)格的要求，目標(biāo)是將誤碼率降至極低水平。因此，在仿真和測(cè)試過程中，需要大量的采樣點(diǎn)或采用特定的數(shù)學(xué)算法以滿足精確分析誤碼率的需求。隨著信號(hào)傳輸速率的持續(xù)攀升，僅依賴芯片的基本驅(qū)動(dòng)能力已無法克服信號(hào)在傳輸過程中不可避免的衰減問題。為此，高速串行總線的芯片設(shè)計(jì)中引入了加重和均衡算法，以提升信號(hào)質(zhì)量。

在仿真領(lǐng)域，這種趨勢(shì)推動(dòng)了新的分析方法的發(fā)展，特別是利用ADS中的通道仿真（ChannelSim）工具。完成通道仿真后，用戶能夠在數(shù)據(jù)顯示窗口查看包括波形、浴盆曲線（Bathtub Curve）、眼圖（Eye Pattern）在內(nèi)的多種結(jié)果，以便全面評(píng)估信號(hào)完整性。此外，IBIS-AMI模型或行為級(jí)IO模型可應(yīng)用于通道仿真中，為設(shè)計(jì)提供更精確的參考。若需建立IBIS-AMI模型，可以借助是德科技提供的SystemVue及ADS等系統(tǒng)仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。

PCB的仿真

一、SIPro/PIPro仿真分析工具

ADS的版圖設(shè)計(jì)環(huán)境集成了全新的SIPro和PIPro仿真分析工具，為工程師提供了一種快速高效的方法來完成PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性（SI）和電源完整性（PI）的布局分析及后布局仿真。SIPro和PIPro作為嵌入于ADS版圖設(shè)計(jì)環(huán)境中的功能模塊，擁有獨(dú)立的用戶界面和仿真引擎，能夠直接對(duì)版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行精確分析。

此外，ADS版圖設(shè)計(jì)環(huán)境支持多種設(shè)計(jì)文件格式的導(dǎo)入，包括但不限于ODB++、Gerber、IFF、EGS和Allegro Brd等，極大地提高了設(shè)計(jì)流程的靈活性和兼容性。這種集成解決方案不僅簡(jiǎn)化了復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目的管理，還促進(jìn)了從概念到成品的無縫過渡，確保了設(shè)計(jì)在電氣性能上的優(yōu)越表現(xiàn)。通過使用這些先進(jìn)的工具，工程師可以更自信地面對(duì)日益復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，同時(shí)提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

SIPro/PIPro 包含以下功能：

1. PI-DC，用于直流電壓降分析

由于過大的直流電壓降，可能導(dǎo)致供電至IC電源端的電壓低于其推薦的最低工作電壓，從而引發(fā)IC故障。同時(shí)，如果過孔處的電流密度過高，可能會(huì)產(chǎn)生過多熱量，造成電路板損壞或燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。為解決這些問題，PI-DC分析工具能夠計(jì)算在直流條件下的電壓分布、電流流動(dòng)、IR Drop（電壓降）以及電源分配網(wǎng)絡(luò)的功率損耗密度等關(guān)鍵參數(shù)。

借助PIPro工具，工程師可以有效識(shí)別芯片及其他組件在直流工作條件下的管腳和連接過孔的電流密度，確保設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。PIPro還能顯示芯片管腳的實(shí)際電壓，并提供與推薦值對(duì)比的設(shè)計(jì)裕量分析，幫助工程師評(píng)估設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。此外，仿真結(jié)果能夠自動(dòng)生成詳細(xì)的報(bào)告，便于團(tuán)隊(duì)成員之間的溝通和文檔記錄。這些功能共同助力工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)防潛在問題，提高產(chǎn)品的整體性能和穩(wěn)定性。

2. PI-AC，用于 PDN 阻抗分析

PI-AC分析工具用于評(píng)估電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）的交流阻抗特性，并能可視化顯示電流密度，幫助識(shí)別潛在的熱點(diǎn)區(qū)域。通過PI-AC，提取出的阻抗網(wǎng)絡(luò)可以直接轉(zhuǎn)換為ADS原理圖，進(jìn)而與電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）模型及去耦電容進(jìn)行優(yōu)化整合。這項(xiàng)功能支持在仿真過程中添加多種元件模型，包括但不限于理想集總元件、S參數(shù)模型、元器件廠家提供的模型庫(kù)以及自定義電路模型等。

用戶可以為單個(gè)元件定義多種不同的模型，并輕松地在這些模型之間切換，以適應(yīng)不同的仿真需求。PI-AC分析還支持一次性對(duì)任意數(shù)量指定的電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，僅需更換元件模型即可快速獲取新的仿真結(jié)果，而無需重復(fù)執(zhí)行電磁仿真流程。這種靈活性和高效性不僅加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，還提升了對(duì)復(fù)雜電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解和優(yōu)化能力，確保電源分配網(wǎng)絡(luò)能夠在不同條件下保持最佳性能。

3. PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于電源平面諧振分析

電源平面諧振可能對(duì)敏感的模擬電路造成干擾，并產(chǎn)生過量的電磁輻射，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)難以滿足電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)。通過電源平面諧振分析，可以計(jì)算出配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的自諧振頻率及其對(duì)應(yīng)的Q值，從而為設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)支持。

4.用于電熱聯(lián)合仿真的Electro-Thermal以及熱仿真分析Thermal

在電源完整性分析中，還集成了電熱仿真功能，實(shí)現(xiàn)了電力與熱效應(yīng)的協(xié)同仿真。這一過程首先通過電源完整性仿真引擎（DC Drop）對(duì)電源分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)仿真，以計(jì)算功率密度，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給熱分析器。接著，熱分析器依據(jù)器件的功耗情況執(zhí)行熱分析，評(píng)估溫度分布。系統(tǒng)會(huì)多次迭代這個(gè)過程，持續(xù)更新溫度值，直到仿真結(jié)果收斂。

5.Power-Aware Signal Integrity Analysis——用于與電源相關(guān)的信號(hào)完整性分析

平面。如果在提取信號(hào)走線的S參數(shù)時(shí)僅考慮參考地平面而忽略了電源平面，會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)顯著誤差。為解決這一問題，SIPro采用了一種獨(dú)特的混合算法，能夠迅速且準(zhǔn)確地提取包括過孔在內(nèi)的信號(hào)走線與地平面及電源平面之間的頻域模型。

該頻域模型可以直接轉(zhuǎn)換成ADS原理圖，適用于多種電路仿真類型，如時(shí)域瞬態(tài)仿真（Transient）、通道仿真（Channel）、DDR總線仿真等。這種方法確保了仿真的精確性，使設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)初期就識(shí)別并解決潛在的信號(hào)完整性問題。

6. CEMI（Conducted EMI），用于PCB 電源傳導(dǎo)仿真分析

隨著在電子產(chǎn)品中往往需要進(jìn)行 EMC 的檢測(cè)分析，傳導(dǎo)就是 EMC 的一種。為了更好的發(fā)現(xiàn)、避免以及解決傳導(dǎo)的問題。在 PIPro 中可以利用 CEMI 對(duì)電路進(jìn)行傳導(dǎo)的仿真分析。

7. 阻抗快速掃描

SIPro和PIPro的仿真速度相較于傳統(tǒng)的平面或3D電磁場(chǎng)仿真器提升了10倍以上，同時(shí)保持了極高的仿真精度，能夠與采用3D有限元法的仿真結(jié)果相媲美。這兩款工具擁有用戶友好的界面，簡(jiǎn)化了仿真流程，并能輕松生成ADS原理圖以供電路分析使用。

它們支持對(duì)非規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并提供便捷的Back drill過孔設(shè)置功能，同時(shí)還允許用戶靈活定義信號(hào)端、電源端及參考端。此外，SIPro和PIPro配備了Python接口，使得電容模型庫(kù)的管理更為簡(jiǎn)便高效。完成仿真后，SIPro/PIPro還能生成測(cè)試平臺(tái)（test bench），方便用戶在ADS原理圖中進(jìn)一步開展電路分析。

總的來說，SIPro和PIPro為電路設(shè)計(jì)師提供了高效、精準(zhǔn)且靈活的仿真解決方案，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和靈活性，是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)不可或缺的利器。這些工具不僅加快了產(chǎn)品開發(fā)周期，還確保了最終產(chǎn)品的性能和可靠性。

二、EP-Scan電氣性能掃描軟件

SIPro和PIPro功能強(qiáng)大，特別適合專業(yè)的信號(hào)完整性分析師使用。然而，在設(shè)計(jì)階段，硬件工程師、PCB設(shè)計(jì)工程師以及測(cè)試工程師同樣需要關(guān)注信號(hào)與電源完整性問題。為了幫助這些工程師在布線完成后快速檢測(cè)系統(tǒng)的電氣性能，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)初步的SI（信號(hào)完整性）或PI（電源完整性）問題，是德科技推出了EP-Scan（Electrical Performance Scan）電氣性能掃描軟件。

借助EP-Scan，硬件相關(guān)的工程師只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作即可快速掃描并查看信號(hào)的電氣特性，識(shí)別潛在的信號(hào)完整性問題。這種簡(jiǎn)便性使得非專業(yè)人員也能輕松上手，有效提升了設(shè)計(jì)流程中的效率和問題發(fā)現(xiàn)速度。當(dāng)然，對(duì)于更為復(fù)雜的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)，仍需依賴SI工程師的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，通過SIPro和PIPro進(jìn)行深入分析和仿真來解決這些問題。

總的來說，EP-Scan為硬件工程師們提供了一個(gè)快捷、直觀的工具，用于初步評(píng)估和檢測(cè)SI與PI問題，而SIPro和PIPro則為深入研究和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支持，二者相輔相成，共同促進(jìn)了電子產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì)與開發(fā)。

EP-Scan可以通過簡(jiǎn)單的三個(gè)步驟解決信號(hào)完整性分析中的瓶頸問題。

1.

使用EP-Scan，加載PCB布局設(shè)計(jì)或?qū)隣DB++文件變得輕而易舉。接著，您可以選擇特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。更出色的是，您還可以為選定的網(wǎng)絡(luò)制定測(cè)試計(jì)劃，并選擇適用的電氣規(guī)范（EP-Scan內(nèi)置了多種標(biāo)準(zhǔn)電氣規(guī)范，如PCIe、USB、DDR等）。根據(jù)所選的電氣規(guī)范，可以對(duì)阻抗、延時(shí)、插入損耗和回波損耗等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.

進(jìn)行電氣性能掃描的過程非常簡(jiǎn)便，只需一鍵點(diǎn)擊即可運(yùn)行所有預(yù)設(shè)的測(cè)試計(jì)劃。每當(dāng)設(shè)計(jì)有更新時(shí)，您都可以自動(dòng)重新運(yùn)行EP-Scan中預(yù)先設(shè)定的測(cè)試計(jì)劃，以便快速檢查信號(hào)完整性問題并獲得即時(shí)反饋。這種方法使得在設(shè)計(jì)修改后能夠迅速驗(yàn)證其穩(wěn)定性和可靠性，確保每一次調(diào)整都不會(huì)引入新的問題。

3.

在完成信號(hào)完整性分析后，EP-Scan提供了一鍵生成詳細(xì)報(bào)告的功能，極大地簡(jiǎn)化了結(jié)果展示和存檔流程，避免了繁瑣的手動(dòng)復(fù)制粘貼工作。通過這一功能，您可以輕松分享分析結(jié)果給團(tuán)隊(duì)成員或管理層，并記錄設(shè)計(jì)的進(jìn)展與改進(jìn)情況。

通過這三個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，EP-Scan為硬件工程師提供了一款便捷高效的工具，極大地簡(jiǎn)化了分析流程，節(jié)省了寶貴的時(shí)間和精力。它有效地突破了性能驗(yàn)證的瓶頸，使您能夠?qū)⒏嘧⒁饬性谠O(shè)計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)上，從而更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。利用EP-Scan，不僅提高了工作效率，還加速了創(chuàng)新過程，確保您的設(shè)計(jì)在滿足高標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也能迅速響應(yīng)市場(chǎng)需求。

EP-Scan 生成的測(cè)試報(bào)告

在上述內(nèi)容中，我們簡(jiǎn)要探討了大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)高速PCB設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)，并說明了如何利用ADS和EP-Scan這兩種工具提升設(shè)計(jì)工程師的工作效率。值得注意的是，大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨不僅對(duì)高速PCB設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)也為設(shè)計(jì)師們帶來了更加優(yōu)越的協(xié)同工作環(huán)境。

在這個(gè)背景下，云計(jì)算技術(shù)顯得尤為重要，尤其是在工程領(lǐng)域需要快速生成仿真報(bào)告的情況下。通過釋放計(jì)算資源的強(qiáng)大算力，可以更充分地發(fā)揮仿真工具的潛力。ADS提供的HPC（高性能計(jì)算）加速服務(wù)顯著提升了工程計(jì)算的速度，使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在最短時(shí)間內(nèi)獲取仿真結(jié)果，進(jìn)而提高項(xiàng)目的產(chǎn)出效率。

此外，使用Cliosoft等工具，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在云平臺(tái)上實(shí)時(shí)共享設(shè)計(jì)文件、模型和數(shù)據(jù)，支持多地協(xié)同設(shè)計(jì)。這種方式極大地加快了設(shè)計(jì)流程，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作的效率?？偟膩碚f，大數(shù)據(jù)時(shí)代通過提供先進(jìn)的計(jì)算能力和高效的協(xié)作平臺(tái)，不僅提高了高速PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和要求，也為解決這些問題提供了強(qiáng)有力的支持，推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。