焦瀚霖

（萍鄉(xiāng)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

0 引 言

目前PCB技術(shù)已經(jīng)非常成熟，幾乎所有電子產(chǎn)品中都有PCB電路板的應(yīng)用。PCB設(shè)計(jì)之初應(yīng)該充分考慮元器件的選取和布局、PCB所處的環(huán)境以及耦合現(xiàn)象等因素，為了盡量縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，本文介紹了如何基于NASYS SIwave進(jìn)行PCB仿真優(yōu)化。

1 PCB概述

1936年，奧地利發(fā)明家Paul Eisler根據(jù)Charles Ducas最初申請(qǐng)專利的電路設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了第一套用于操作無(wú)線電系統(tǒng)的印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）。PCB技術(shù)很快被美國(guó)軍方采用，并在第二次世界大戰(zhàn)期間用于近程熔斷器的制造。此項(xiàng)技術(shù)于1948年向公眾發(fā)布，印刷電路板開(kāi)始發(fā)展，目前印刷電路板在人們的日常生活中已經(jīng)無(wú)處不在。PCB設(shè)計(jì)以電路原理圖為根據(jù)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者需要的功能。印刷電路板的設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部連接的布局、內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護(hù)以及熱耗散等因素。優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)單版圖設(shè)計(jì)可以手工實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)則需要借助計(jì)算機(jī)輔助工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 PCB設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 PCB設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1.1 準(zhǔn)備工作

設(shè)計(jì)前需考慮PCB分類（結(jié)構(gòu)、空導(dǎo)通狀態(tài)、成品軟硬區(qū)以及板材類型等）、對(duì)外連接方式（直接焊接或插接等）、元器件安裝方式（表面貼裝或通孔插裝等）以及分析原理圖（大電流、大電壓、高頻電路、元器件的形狀、尺寸、引線以及附加材料等）。由于本文所注PCB需要的元器件較多且不需更換，因此采用了8層高頻板，元件安裝方式為表面貼裝。

2.1.2 布線設(shè)計(jì)

布線設(shè)計(jì)時(shí)需考慮分層布線（頂層、頂層絲印層、底層、底層絲印層以及阻焊層等）、元件面布設(shè)要求（導(dǎo)線盡可能少、短且不交叉，最好不要走直線）、印制導(dǎo)線設(shè)計(jì)要求以及焊盤設(shè)計(jì)要求（孔和焊盤的設(shè)計(jì)、靈活掌握焊盤形狀與可靠性）[1]。本文的PCB由Candence軟件完成元器件的擺放與布線。

2.2 PCB優(yōu)化實(shí)踐

PCB設(shè)計(jì)的主要目的是將各個(gè)芯片組合在一起以實(shí)現(xiàn)特定的功能，從一定意義上來(lái)說(shuō)，PCB是整個(gè)系統(tǒng)的功能承載者。為了實(shí)現(xiàn)芯片信號(hào)的直接傳輸，通過(guò)PCB將芯片信號(hào)從一個(gè)新的芯片直接傳輸?shù)搅硪粋€(gè)新的芯片。由于PCB本身就是一個(gè)芯片信號(hào)直接傳輸?shù)闹饕?，因此PCB設(shè)計(jì)效果的好壞會(huì)直接影響芯片信號(hào)傳送質(zhì)量和傳輸性能。此外，PCB芯片設(shè)計(jì)還可以控制EMI/EMC，將外界電磁能量對(duì)PCB的干擾控制在可接受的范圍內(nèi)[2]。當(dāng)PCB系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分都需要穩(wěn)定的供電，變化的供電信號(hào)和電源會(huì)直接引起系統(tǒng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化，形成電磁輻射。隨著整個(gè)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不斷增加和移動(dòng)電源信號(hào)輸出輸入功率的不斷下降，SI/PI/EMI公司現(xiàn)在所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來(lái)越大?；诖耍肁NSYS實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)PCB耦合或諧振等進(jìn)行全方面的仿真分析[3]。

2.2.1 諧振分析與解決

對(duì)這個(gè)8層板進(jìn)仿真分析，圖1為8層DDR4的PCB設(shè)計(jì)圖。

圖1 內(nèi)存條（DDR4）8層板PCB設(shè)計(jì)

選擇兩平面層（L2與L7），計(jì)算每個(gè)模式對(duì)應(yīng)的諧振分布情況，優(yōu)化前諧振仿真圖和優(yōu)化后諧振仿真圖如圖2和圖3所示。

圖2 優(yōu)化前諧振仿真圖

圖3 優(yōu)化后諧振仿真圖

每個(gè)顏色代表不同電壓，顏色變化幅度越大，則電壓的擺幅也越大。從圖2可以清楚的看到右上角的顏色幅度變化較大，即電壓的擺幅較大。此時(shí)用SIwave添加一個(gè)去耦電容，改變這一區(qū)域的兩個(gè)諧振頻率，選擇與PCB上兩個(gè)諧振效應(yīng)頻率相近的去耦電容，然后將其放置在諧振效應(yīng)頻率改變幅度最高的兩個(gè)位置之間，這樣就能直接取得較好的高頻去耦電容效果[4,5]。分別放置兩個(gè)電容后，重新運(yùn)行諧振模式的分析，由圖3可以清楚看出在放置兩個(gè)去耦電容后，右上角的電壓擺動(dòng)幅度變得非常微小[6]。

2.2.2 阻抗和諧振的關(guān)系

仿真得到的頻率-阻抗值曲線如圖4所示。

圖4 頻率-阻抗值曲線

從圖4可以看出每個(gè)尖峰點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率和阻抗值。為了更好地比較阻抗與諧振之間的相互關(guān)系，返回SIwave模擬諧振，并且在不限制計(jì)算模型參數(shù)的情況下，設(shè)定一個(gè)仿真頻率上限為2 GHz。各計(jì)算模式下得到的諧振頻率點(diǎn)如圖5所示。

由圖5可知，阻抗強(qiáng)度變化曲線中出現(xiàn)的尖峰頻率點(diǎn)總是包含在諧振仿真計(jì)算出的工作頻率點(diǎn)中[7]。

圖5 諧振頻率點(diǎn)

2.2.3 傳導(dǎo)干擾的分析和電壓噪聲的測(cè)量

傳導(dǎo)干擾分析是在給PCB板上的某個(gè)信號(hào)點(diǎn)添加電激勵(lì)之后，對(duì)該電位點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上激發(fā)出的電場(chǎng)變化分布進(jìn)行分析。觀察上述各種諧振模式下的諧振信號(hào)分布情況，選擇一個(gè)諧振模式擺幅較大的區(qū)域，并對(duì)其信號(hào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾分析。頻率-電壓幅度曲線如圖6所示。

圖6 頻率-電壓幅度曲線

從圖6可以看出，頻率分別在0.32 GHz、0.96 GHz、1.62 GHz有明顯的3處尖峰。此時(shí)再觀察0.32 GHz、0.96 GHz、1.62 GHz頻率下PCB板上的電壓分布情況，如圖7、圖8以及圖9所示。

圖7 0.32 GHz時(shí)PCB板電場(chǎng)分布情況

圖8 0.96 GHz時(shí)PCB板電場(chǎng)分布情況

圖9 1.62 GHz時(shí)PCB板電場(chǎng)分布情況

此時(shí)，通過(guò)觀察諧振分析結(jié)果可以看出，上述幾個(gè)尖峰信號(hào)點(diǎn)的頻率在諧振分析的結(jié)果中都已經(jīng)可以準(zhǔn)確尋找出與其相同或?qū)?yīng)的一個(gè)頻點(diǎn)[8,9]。

通過(guò)對(duì)傳導(dǎo)性干擾的分析和對(duì)電壓檢測(cè)探針進(jìn)行的仿真和測(cè)試，可以看出在重要的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中添加激勵(lì)后整個(gè)PCB上的電場(chǎng)分布狀態(tài)。如果在實(shí)際使用的系統(tǒng)中，頻點(diǎn)附近存在著與其相關(guān)的問(wèn)題，則可以考慮相應(yīng)的方法和措施來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[10]。

3 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)分析PCB板間諧振產(chǎn)生原理，表明板級(jí)諧振對(duì)信號(hào)完整性的影響巨大，突出對(duì)信號(hào)完整性仿真預(yù)估的必要性。同時(shí)以某DDR48層PCB板為例，詳細(xì)分析其諧振仿真的過(guò)程，諧振仿真可為PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。PCB設(shè)計(jì)優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中十分重要，效果優(yōu)良的PCB設(shè)計(jì)可以有效抑制干擾，使電子系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。