摘要：如果PCB电路的故障是由电源完整性方面的问题引起的，那么对该PCB电路的调试将非常困难，且其故障很难定位。通过电源完整性仿真可以很方便地寻找其问题所在。以LVDS传输电路为例，阐述了分析频段的确定方法，进行了谐振分析和阻抗分析，查明了设计存在的问题。
关键词：谐振分析；阻抗分析；分析频段
电源配送网络（Power Delivery Network，PDN）与印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）上的各种器件都有着直接的连接关系，设计不合理的PDN系统会给PCB电路带来致命的隐患[1]。通过电源完整性（Power Integrity，PI）仿真，可以查明PDN系统中潜在的问题，达到降低研发成本、缩短设计周期的目的。
1电源完整性
PI指的是电源波形的质量，它与信号完整性（Signal Integrity，SI）相互影响相互制约。从广义上来说，PI属于SI研究范畴之内，新一代的信号完整性分析必须建立在可靠的电源完整性分析的基础上[2]。
PI主要研究的对象是PDN。PDN是电路系统中最复杂的互连结构，它的作用主要包含两个方面：1）为负载提供干净的供电电压；2）为信号提供低噪声的返回路径[3]。如何保证PDN系统满足负载芯片对电源的要求，就是PI所要解决的问题。PI仿真则是提高PDN系统设计质量的有效手段。
2分析频段选择
PCB电路包含各种各样的信号，从直流到交流，从低频到高频，这些信号都携带着丰富的频率分量。对信号进行描述时通常会用到两个重要的量：上升沿和带宽。上升沿指的是信号从低电平跳变到高电平所用的时间，通常采用10%～90%上升沿来定义。带宽则是个经验法则，用来描述信号频谱中最高有效谐波频率，一般高于带宽的谐波分量都不必考虑其影响。对于信号带宽的定义方式多种多样，常见的有3dB带宽f3dB=0.35/tr和等效噪声带宽fRMS=0.5/tr，其中tr表示信号的10%～90%上升沿，单位为ns[3]。而在实际中，我们并非总能得到信号的上升沿，但是却仍然需要它的带宽。此时还可以利用信号的时钟频率来估算其带宽。如果不知道上升沿和时钟周期的关系，那么可以近似的认为上升沿约等于时钟周期的7%。根据上升沿与带宽的关系可以推断出，信号的带宽约为其时钟频率的5倍。利用带宽这一概念，可以很容易地估算电路的最高工作频率。电路的最低工作频率则以电路内所有信号工作频率的最低一次谐波频率值为准。PI分析时选择的频段范围要包含电路的工作频段，可以在电路工作频段的基础上适当扩大。
3实例仿真分析
3.1仿真资源介绍
本次仿真的对象是LVDS（Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号）驱动/接收电路，仿真的目的是寻找该电路设计存在的缺陷。LVDS驱动芯片的型号为DS90LV031，LVDS接收芯片的型号为DS90LV032，它们是德州仪器公司生产的3V四路CMOS差分驱动/接收器，其10%～90%信号上升/下降时间的典型值为0.38ns。同时，电路中还使用了基准频率为30MHz的晶体振荡器，且该频率为电路中信号的最低工作频率。
3.2谐振分析
在PCB电路中，电源与地平面可以看做上下为电壁、四周为磁壁的谐振腔[2]。在谐振频率的附近，PDN的阻抗会变大，从而导致噪声干扰加剧。利用SIwave软件可以方便地寻找PCB电路的谐振频点。进行谐振分析时，一般使用3dB带宽来确定仿真时的最高频率。经计算，整个PCB电路工作在频段范围为30MHz～0.92GHz的区间内。根据工程经验，谐振分析的频段选择为20MHz～1.38GHz，约工作频段的1.5倍。
图1为20MHz～1.38GHz频段内PCB传输电路存在的谐振频点。图2为第3谐振模式下的电压分布。
图1谐振仿真结果 图2第3模式下的电压分布 图3阻抗扫略分析 图4SYZ参数扫略分析
3.3LVDS电路的阻抗分析
LVDS要求传输线的阻抗受控，其中单根传输线的阻抗要求为50Ω±5Ω，差分线之间的阻抗为100Ω±10Ω。SIwave软件可以方便地计算出单线阻抗和差分线阻抗。
LVDS驱动电路是由两根微带线组成的，因此利用SIwave的阻抗扫略功能来进行分析。LVDS接收电路中并接了100Ω的匹配阻抗，构成了一个二端口网络。对于二端口网络的阻抗，需要利用SIwave的SYZ参数扫略功能来实现。根据SIwave的帮助手册，SYZ参数扫略时信号带宽的定义使用了拐点频率fknee[4]，它的计算公式与fRMS相同。分别以DS90LV031芯片的第二路驱动输出CLK2+和CLK2-（第5、6管脚）和DS90LV032芯片的第二路接收电路（第6、7管脚）为例，对其进行阻抗扫略分析和SYZ参数扫略分析。图3为驱动电路的阻抗分析结果，图4为SYZ参数扫略分析的结果。
3.4 结果分析
根据分析结果，该PCB传输电路在其工作的频段范围内具有21种谐振模式，不利于提升产品的整体性能。对此，需要添加去耦电容来抑制其谐振。LVDS驱动线路的阻抗远大于LVDS的要求，并且CLK2-的阻抗出现了突变。这需要重新布置LVDS驱动线路，调整走线宽度。LVDS接收线路的阻抗满足LVDS的要求而且无突变，所以设计满足使用要求。
4结束语
通过此例，在产品设计过程中加入PI仿真，可以及时分析和发现其PDN系统存在的问题，帮助研发人员提高一次设计成功的成功率。
参考文献：
[1]房丽丽．ANSYS信号完整性分析与仿真实例[M]．北京：中国水利出版社，2013．
[2]于争．信号完整性揭秘：于博士SI设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2013．
[3]Bogatin,E．信号完整性与电源完整性分析[M]．2版．李玉山等译．北京：电子工业出版社，2015．
[4]ANSYS Inc．SIwave Online Help[Z]．ANSYS Inc．2016．
作者简介：
邢荣峰（1981-），男，山西太原人，汉，硕士，工程师，2007年毕业于太原理工大学，现就职于太原航空仪表有限公司，主要从事硬件电路的设计和仿真工作。
论文作者:邢荣峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/6
标签：阻抗论文; 电路论文; 谐振论文; 信号论文; 频段论文; 频率论文; 完整性论文; 《电力设备》2018年第12期论文;