摘要：随着电子系统更快的信号速率，更高的集成度以及更大的数据吞吐量，信号完整性（SI）和电磁干扰（EMI）分析设计成为了高速电路设计和多信号系统面临的棘手问题。如果在设计前期没有特别注意SI 和EMI 的问题，后期测试会浪费很多时间，增加产品开发周期和成本。如果设计的产品不能很好地解决电磁兼容（EMC）和信号完整性问题，设计的系统将很难满足实际的要求。干扰严重时，电路甚至无法按预期要求正常工作。因此如何在产品设计阶段，就综合考虑PCB板级SI 和EMI 问题成为业内关注的热点。目前，很多企业以专门从事高速电路系统中SI 与EMI 的仿真、分析与设计，把电磁兼容设计技术应用于PCB 设计中，解决减少EMI 的问题，EMC 设计技术包含板层的叠层结构设计、高速信号线EMI 布线设计。
关键词：PCB；高速电路板；信号完整性；电磁干扰
1.引言
电子线路板又被称为印制电路板（PCB），能够选择部署导电图形和连通孔，利用印刷法形成一个元器件连接导电图，可以实现各个信号在板层之间进行有效的传输。目前，经过多年的发展和改进，电子线路板已经成为电子设备、电子仪器、电子计算机中不可缺少重要组件。电子技术的迅速发展导致电子产品的集成度越来越高，承载的功能也越来越复杂，电子线路板的制造质量直接影响电子仪器设备的可靠性、稳定性。目前，电子线路板制造技术也从原来的单面板发展到了双面板、多层板、高密度互连板等，在促进电子产品想着微型化、轻量化、高可靠的趋势发展的同时，电子线路板设计越来越困难。因此，电子线路板设计成为众多硬件公司的研发热点，经过多年的研究，电子线路板从传统的人工设计模式已经发展到了自动化设计，诞生了许多的设计工具，比如Mentor、Zuken、Allegro、Protel等。Zuken属于高端的电子线路板设计工具，用户较少，市场普及的也少；Allegro是一种高端工具，在许多专业的公司中得到了广泛应用，适用于多媒体等芯片产品的研发，Protel是一个大众化的设计工具，能够设计简单的多层板，运行速度非常慢。因此，电子线路板设计时，不仅需要掌握以上设计工具，同时还要结合当前电子芯片的发展方向，引入机器学习、分布计算等技术，提高电子线路板的设计效率、准确度和可靠性。
2.高速电路PCB 设计方法
现代高速PCB 设计方法，与传统的PCB 设计流程相比，将原理图设计、PCB 布局布线和高速仿真分析集成于一体。在PCB 设计过程中，进行信号完整性仿真（SI）分析，运用器件模型和仿真工具，可以在PCB 布局和布线阶段之前或者之后，对关键的高速数字信号进行反射、串扰、同步开关噪声、EMI等信号完整性问题进行仿真分析，根据仿真结果制定约束规则，来指导关键信号的布局、布线过程，并通过后仿真来检查板级设计效果，进一步完善PCB 设计，保证信号质量。若能在产品设计阶段尽最大程度解决EMC 和SI 的问题，将大大减少产品设计成本，节省时间。
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PSPICE 模型和IBIS 模型都支持PCB 板级仿真，PSPICE 模型包含电路和工艺参数方面的详细信息，IC 设计商往往不愿提供PSPICE 模型，从而限制了其应用；而大多数器件的IBIS 模型，仅涉及到器件I/Obuffer 的电气性能，不包含器件内核的结构、工艺和性能等信息，可从互联网上或者IC 供应商那里免费获得，但目前还没有哪一种模型可以单独完成所有级别的信号完整性仿真分析（SI）。特别说明，“仿真模型库”对于仿真结果至关重要，必须通过实际产品项目的仿真测试实际对比、修正后的仿真模型，才能算作“准确的仿真模型”。IBIS 模型为“行为级模型”器件，仿真时必须关注选取的工作条件，Slow、Typical、Fast，否则仿真不准，行为级信号质量仿真用Cadence SPB SigXplorer；晶体管级仿真用SynopsysHspice；三维电磁场建模用AnsoftHFSS；时域频域混合仿真用Ansoft ADS。Cadence 将Sigrity软件的功能集成到SPB 设计软件平台，仿真功能比较全面，但目前还没有一个统一的仿真软件平台可以适用于所有信号的仿真场景。使用EMIStream工具对板极EMI 问题进行分析，嵌入在PCB 设计的全过程，在设计阶段解决EMI 问题有利于减少反复设计的次数。
3.抑制EMI 的高速PCB 叠层设计
PCB 上相邻两条传输线之间，两层PCB 导电层之间,以及电压层和周围的地平面之间都可以组成电容，电容的数值越大，存储的电场能量越多，即往外部泄露系统能量的比率更少，系统产生的EMI 得到一定的抑制。电感数值表示存储导体周围磁场的能力，感抗变小，磁场减小，对外的磁能量辐射也会减小，即电感越小，就能对EMI 进行抑制。实际电路阻抗越小越能抑制EMI，当阻抗比较小即电容较大和电感较小的时候，只要保持电路的正常布线，电流保持最佳回流路径，使EMI 控制在最小。线路板特性阻抗的控制，及多负载情况下的拓补结构的设计，直接关系到产品的成败。高速信号层与层之间的切换必须保证特性阻抗的连续，同层的布线宽度必须连续，不同层的走线必须连续。所有高速信号必须有良好的回流路径，尽可能地保证时钟等高速信号的回流路径最小，否则会极大的增加辐射，并且辐射的大小和信号路径、回流路径所包围的面积成正比。叠层是PCB 设计时首要考虑的因素。根据电路规模、电路板尺寸和EMC 的要求，选用叠层数量，内电层的位置，及如何在不同层分布信号。布线层数越多越利于布线，但工艺成本和难度会增加。PCB 层数的选择需要综合考虑以最佳的平衡。行业PCB 工程师在完成元器件预布局后，会对PCB 布线瓶颈处进行分析，包括PCB 布线密度；结合特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等的数量和种类来确定信号层的层数；然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。
4.未来电子线路板设计发展趋势
随着电子线路板的发展，其承载的功能越来越多，同时也会诞生很多的新型需求，呈现出新型特点，为了提高电子线路板设计的准确度，提高电子线路板设计师的工作效率，比如可以引入机器学习技术，提高设计工具的智能化程度。引入互补对称设计理念。由于电子线路板执行的操作多属于底层功能，因此很多的功能均相同，在设计电子线路板的时候仅仅位置不同，因此可以引入互补对称设计理念。传统电子线路板设计时，具有互不对称功能的电路元件都采用逐一绘制模式，绘制的时间非常长，元件需要按照顺序进行编号，不能够从元件上判断与谁互补。为了提高印制时间，引入互不对称理念，从功能层判断对称位置，实现信息加工和处理。引入机器学习技术改进设计工具智能性。支持向量机可以实现分类和回归分析，给定一组数据样本，建立训练学习模型，分配新的实例，将其划分为非概率的二元线性分类，支持向量机引入了自适应共振理论，进一步利用数据中隐含的有价值信息，根据这些信息进行挖掘和分类操作，从不同的角度进行分类，提高数据处理的准确度。
参考文献
[1]董磊.信号完整性在PCB可靠性设计中的应用[J].电子世界. 2017(21).
[2]屈汝祥,周粉利,王为,岳惠峰,刘丹.信号完整性的研究[J].电子世界. 2017(10).
论文作者:王族名
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/9
标签：线路板论文; 信号论文; 电子论文; 模型论文; 电路论文; 工具论文; 功能论文; 《防护工程》2019年9期论文;