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SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用2007年9月，北京朱顺临2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用2目录高速电路的SI与PI分析方法板级PCB的EMC设计准则SI/PI仿真技术在板级设计中的应用2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用3目录高速电路的SI与PI分析方法板级PCB的EMC设计准则SI/PI仿真技术在板级设计中的应用2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用4高速设计的定义当信号的传输时延小于其上升（下降）时间的1/6时，电路主要表现为集总系统的特征；否则认为其为分布电路，高速数字电路考虑的就是分布电路的特性。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用5“高速设计”要解决的问题传输线效应使接收端看到3个不同的信号波形；接收端信号波形PCB的走线长度（Trace）与传输延时相关；接收端信号波形还与PCB的拓扑结构有关。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用6信号完整性（SI）SignalIntegrity：简称SI，指信号线上的信号质量；指信号在电路中能以正确时序和电压做出响应的能力；当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。如误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等信号完整性问题，会造成时钟间歇振荡和数据出错。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用7信号完整性（SI）问题的起因Tr对信号完整性的影响¾更大的地弹－SSN¾更大的Crosstalk¾更大的EMI¾带来传输线效应高时钟频率?高数据速率？高开关速率？10nS=100MHz周期相同，Tr不同更快的信号上升沿（Tr）90%10%RiseTime2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用8信号完整性（SI）问题的分类串扰：噪声容限时序漂移波形完整性:振铃边沿的单调性EMI时序分析电源的稳定性DriverReceiverNon-monotonicEdgeReceiverThresholdsNoiseMargin2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用9传输线效应传输线会对整个电路设计带来以下效应：反射信号Reflectedsignals延时和时序错误Delay&Timingerrors多次跨越逻辑电平门限错误FalseSwitching过冲与下冲Overshoot/Undershoot串扰InducedNoise(orcrosstalk)电磁辐射EMIradiation2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用10高速设计方法经验设计规则仿真测试流程化控制2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用11S-PI仿真分析的技术特点多平台仿真工具的综合应用时域分析与频域分析的转换场建模工具的引入信号与回路分析的同等要求平面阻抗/噪声分析EMI设计与SI设计的协同解决2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用12S-PI分析的基本内容减少电源地平面间噪声－电源完整性分析优化电源地系统阻抗－电源完整性分析降低串扰和反射－信号完整性分析改善同步开关噪声－信号完整性分析减少边缘辐射－信号完整性/电源完整性分析2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用13电路级（Circuitlevel）仿真求解V/I方程,基于节点,使用spice集总或分布等效电路，如：原理图、spice网表等2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用14电磁场级（EMLevel）仿真求解Maxwell方程,基于物理结构，如2D、2.5D、3D场分析2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用15仿真技术的融合应用电路（circuitlevel）仿真与电磁场（EMLevel）仿真电路仿真的工具（Spice类）电磁场仿真的工具（FEMMaxwell方程类）电路与电磁场仿真的融合2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用16PI的实质性问题哪个因素引起了PI问题？∆V=L*dI/dtNoisevoltageInductanceSwitchedcurrentSwitchedtime2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用17PI问题的引入∆V=L*dI/dtPCB上的电感引入了电源地回路的噪声2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用18电容的模型ESRESLC电容器阻抗特性2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用19旁路电容特性2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用20平面电容的计算dSdSCr•=•=εεε0milinpF5@/20022007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用21平面电容与旁路电容2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用22引线/过孔寄生电感的影响1000pf/NPO2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用23目录高速电路的SI与PI分析方法板级PCB的EMC设计准则SI/PI仿真技术在板级设计中的应用2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用24板级EMC设计规则涉及的范围时钟信号设计内存设计驱动强度可编程芯片设计规则点到点（多点）信号拓扑分析总线驱动芯片设计多种电源的分割用户线设计电源的共模与差模滤波保护地的噪声控制DC/DC分立电源的设计2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用25信号的过冲振铃信号质量是SI首要关注的问题，信号的过冲会带来一系列可靠性问题，在EMI的测试方面，数据/地址等信号线的过冲与振铃是辐射背景噪声的主要贡献者。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用26过冲与振铃引发的板级EMC的问题BW=1/πtr与EMC相关的三个方面信号的沿—高次谐波成分过冲---各次谐波的幅度振铃---高次谐波远场与频率的关系数字信号频谱的包络线2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用27过冲抑制举例IOP6不用，其余3个接收端使用的情况下，IOP5的接收波形解决的方法有：更改拓扑结构、调整PCB走线的线长，阻抗、更换器件、调整端接方案等。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用28过冲抑制举例改变拓扑结构的端接电阻的位置过冲已经得到了明显的改善，同时，时序的改善也是显而易见的。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用29时钟电路的处理周期信号的离散频谱2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用30时钟电路的处理在点到点或点到多点的时钟电路设计中要做严格的SI分析确保时钟最小的过冲与最大噪声余量，时钟电路一般采用源端匹配和终端上下拉的方式匹配，串阻值可以在SQ中用扫描的方法获得，在保证时序空间有较大余量的前提下，可以调整串阻值将延适当变缓以减小EMI。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用31叠层设计电源和地平面采用紧耦合，及电源平面紧贴地平面；在线宽可以满足的条件下，信号线尽量与参考平面紧耦合；尽量以地平面为参考平面。一个10层板叠层方案2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用32信号的回路所有进入系统的电流必须回到源端，回流路径为阻抗最小的路径CMOS缓冲器驱动以地为参考平面传输线的回流路径2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用33如何控制回流路径？电源平面紧贴地平面；信号层和参考平面层靠近，保证信号和回流组成的最小面积，重要信号应该以地平面作参考平面；保证电源与地层阻抗最低；高速信号线在换层时，会出现过孔等阻抗不连续点，应加地过孔或加旁路电容。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用34连接器上地线尽量靠近信号线2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用35Stub的控制在高速PCB设计中，尤其要注意尽量减小信号的Stub，减小“尾巴”的反射。2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用36Antipad:20milAntipad:30milAntipad:40milAntipad:40milAntipad:30milAntipad:20mil高速线过孔的优化2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用37边缘辐射是指内层电源及内层信号层通过PCB的边缘向空间辐射噪声。抑制边缘辐射通常采取的是20H原则，通过在PCB边缘加屏蔽过孔将内层电源层和内层信号层屏蔽起来。此时电源层和信号层仅仅需要往里缩一个过孔直径的距离就可以了，在PCB设计中很容易做到。PCB边缘辐射2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用38目录高速电路的SI与PI分析方法板级PCB的EMC设计准则SI/PI仿真技术在板级设计中的应用2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用39PCB设计要解决的主要问题叠层问题回流问题平面分割问题布局问题布线问题信号完整性问题2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用40板级EMC仿真和设计－噪声源噪声源分类：IC芯片本身产生的噪声互连信号产生的噪声供电系统（电源平面和地平面）上的噪声2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用41SI/PI仿真技术在板级EMC设计应用板极EMC设计设计、器件结构、工艺PI仿真SI仿真EMC规则2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用42板级EMC设计－设计措施SIPI¾谐振¾频率扫描¾S、Y、Z参数经验规则叠层；电源和地平面的分割；电源滤波；布局布线；……2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用43板级EMC仿真PCB的EMI/EMC仿真2007-9-4SI/PI仿真技术在板级EMC设计的应用44其他改进措施器件的去耦，旁路电容，蓄能电容；晶振、时钟驱动等处理；平面分割；边缘辐射，地过孔的应用；