電源完整性/信號完整性分析對EMI控制的影響

摘要

本文以高速系統(tǒng)的信號/電源完整性分析和EMC分析的為基本出發(fā)點，著重介紹了高速PCB的信號和電源完整性分析的基本要領(lǐng)和設(shè)計準則，通過EDA分析工具實現(xiàn)PCB的建模與參數(shù)提??；通過電磁場分析工具完成網(wǎng)絡(luò)參數(shù)定量分析，從最基本的設(shè)計方法入手，提出了高速PCB的信號/電源系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化方案，指出了信號/電源完整性仿真設(shè)計和EMC設(shè)計的內(nèi)在聯(lián)系，最后介紹了利用EDA仿真工具和EMC測試驗證相結(jié)合解決單板PCB設(shè)計的EMI問題的成功范例，希望本文總結(jié)的經(jīng)驗能給予正在從事高速系統(tǒng)仿真的設(shè)計開發(fā)人員和EDA設(shè)計人員解決此類問題的基本思路與方法。

引言

當今的高速PCB設(shè)計領(lǐng)域，由于芯片的高集成度使PCB的布局布線密度變大，同時信號的工作頻率不斷提高,信號邊沿(Tr)的不斷變陡，由此而引發(fā)的信號完整性和電源完整性問題給EDA設(shè)計人員和硬件開發(fā)人員帶來前所未有的挑戰(zhàn)，信號/電源完整性問題處理不當同時會帶來一系列的EMC問題，給產(chǎn)品的可靠性造成危害。目前，基于Cadence公司SQ的板級與系統(tǒng)級互連仿真已經(jīng)在廣泛應用，在硬件設(shè)計流程中引入了SI/PI/EMI的仿真分析環(huán)節(jié)。信號完整性與電源完整性分析做的較成功的PCB，電磁兼容性（EMC）也明顯改善。

信號/電源完整性分析通過對PCB的信號互連與電源分配系統(tǒng)（PDS）分析，使用EDA與電磁場分析軟件找出PCB的噪聲點并加以抑制，通過PCB的優(yōu)化設(shè)計改善層間噪聲與電源層和地線層之間的阻抗。降低信號的反射和串擾；改進信號的回流路徑，降低電源分配系統(tǒng)阻抗，同步開關(guān)噪聲，消除PCB上關(guān)鍵點和關(guān)鍵頻率的諧振，合理放置去耦電容改善電源地的阻抗與諧振，使用屏蔽過孔等措施減小PCB的邊緣輻射。

隨著信號的Tr變快，產(chǎn)品的EMC問題成為EDA設(shè)計的最大難點。EMC問題由來已久，涉及面較廣，隨著信號速率的提高和芯片尺寸的減少，傳統(tǒng)的EMI設(shè)計方法顯得力不從心。解決EMC問題和解決其它SI問題顯著的不同點在于EMC更依賴于測試，或者是仿真與測試過程兩者的融合，不同類型的EMI包括來自于信號互連的連接器，電纜，PCB的連線以及邊緣輻射等。

電源和信號完整性對EMI的性能有著直接的影響，從PCB設(shè)計階段控制EMI，能起到事半功倍的作用。我們通常采用下列幾種方法來分析并改進信號和電源完整性，從而減小EMI輻射。

1．減少電源地平面間噪聲－電源完整性分析

2．優(yōu)化電源地系統(tǒng)阻抗－電源完整性分析

3．降低串擾和反射－信號完整性分析

4．改善同步開關(guān)噪聲－信號完整性分析

5．減少邊緣輻射－信號完整性/電源完整性分析

一、關(guān)于電源完整性仿真的電容建模

1、非理想旁路電容的定義：

在電源系統(tǒng)的設(shè)計中，我們經(jīng)常用到以下的三類電容：

1）旁路電容：主要作用是給交流信號提供低阻抗的回流路徑；

2）去耦電容：增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響；

3）濾波電容：用于電源濾波電路中，消除電源紋波；

在電源完整性仿真中，我們主要研究對象是非理想化的旁路電容。對于理想的電容來說，不考慮寄生電感和等效串聯(lián)電阻的影響，那么我們在電容設(shè)計上就沒有任何顧慮，電容的值越大越好。但實際情況卻與理論分析相差很遠，并不是電容越大對高速電路越有利，反而在高頻段往往采用小電容,電容的材料和制造工藝也有要求。要理解這個問題，我們首先必須了解實際電容器本身的特性，在頻率很高時，電容不再被當作理想的電容看待。電容的寄生參數(shù)的影響不能忽略。考慮到電容具有一定的物理尺寸，以及起連接作用的安裝焊盤和過孔，其寄生參數(shù)包括一個串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻，由此得到如圖1－1的電容模型。

對電容的高頻特性影響最大的則是ESR和ESL，我們通常采用圖1－1中簡化的電容模型。電容也可以看成是一個串聯(lián)的諧振電路，當它在低頻的情況(諧振頻率以下)，表現(xiàn)為電容性的器件，而當頻率增加（超過諧振頻率）的時候，它漸漸的表現(xiàn)為電感性的器件。也就是說它的阻抗隨著頻率的增加先增大后減小，等效阻抗的最小值發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率處，這時候，電容的容抗和感抗正好抵消，表現(xiàn)為阻抗大小恰好等于寄生串聯(lián)電阻ESR，變化曲線如圖1－2所示：

從諧振頻率的公式可以看出，電容大小和ESL值的變化都會影響電容器的諧振頻率。由于電容在諧振點附近的阻抗最低，所以設(shè)計時盡量選用FR和實際工作頻率相近的電容。如果工作的頻率變化范圍很大，則可以混合使用不同容值和FR電容，即同時選擇一些FR較小的大電容和FR較大的小電容。

2、PI仿真電容及分布參數(shù)的建模：

非理想旁路電容由ESR、C、ESL、引線和過孔等幾部分組成，見圖1－3所示。

在高速PCB設(shè)計中，我們常用的電容引線方式有以下幾種，為定量分析各種引線方式的影響和建模的需要，我們從正在設(shè)計中的單板中提取了用于分析的樣板，見圖1－4所示。

常見的電容的引線方式有以下5種，如圖1－6所示，其中第5種在焊盤上開孔目前工藝不推薦，在此只作分析，首先，我們分別計算了VCC_3.3V到電容管腳的引線和過孔的電感，

得到以下5組數(shù)據(jù)（單位：亨利）：
L001 2.82101E-010

L0022.70197E-010

L0038.36196E-010

L0049.23669E-010

L0053.65286E-010

為了盡量減小引線電感，在設(shè)計中我們可以優(yōu)先采用第2種引線方式，其中第4種引線方式在傳統(tǒng)的PCB設(shè)計中廣泛采用，由于這種引線方式會帶來較大的引線電感，建議在高速PCB設(shè)計中盡量不要采用。

接下來，我們對電源/地的回路作進一步分析，提取了第二種引線方式的SPICE子電路，得到的結(jié)果如下：

VCC3.3V到電容PIN1的子電路為：

.subcktcap_2_via_vcc 1 2 3

C0014 3 1.27114E-010

V0011 5 DC 0

L0015 6 1.39697E-010

R0016 4 0.00663062

V0024 7 DC 0

L0027 8 1.39697E-010

R0028 2 0.00663062

.ENDScap_2_via_vcc

電容PIN2到GND的子電路為：

.subckt cap_2_via_gnd 1 2 3

C0014 3 1.28742E-010

V0011 5 DC 0

L0015 6 2.75467E-010

R0016 4 0.00513052

V0024 7 DC 0

L0027 8 2.75467E-010

R0028 2 0.00513052

.ENDScap_2_via_gnd

通過以上過程，我們得到了回路所有構(gòu)件的RLC參數(shù)，由此我們可以建立以下電流回路，如圖1－7所示。

VCC3.3V -----子電路1----- pin1-----電容（C/ESL/ESR）----- pin2 -----子電路2 ----- GND

定義各部分子電路的連接關(guān)系，我們可以得出電容和引線/過孔對結(jié)果的影響，取電容值為：1000pf；ESL=5E-10；ESR=0.065（AVX），得到無引線電容和考慮過孔與引線電容的頻率響應曲線如圖所示，其中紅色曲線為無引線電容的阻抗－頻率曲線，藍色曲線為有引線/過孔的阻抗－頻率曲線，我們可以得出分析結(jié)果如圖1－8所示。

1）由于引線及過孔的分布參數(shù)存在，電容的諧振點會向低頻率漂移；

2）由于在電源地之間加入了電容、引線及過孔，會帶來新的諧振點，在設(shè)計中必須充分加以考慮。

由上表的參數(shù)，得到如下的無引線電容的阻抗－頻率曲線，如圖1－9所示。

考慮引線與過孔的影響，可以推算出電容加上兩端引線和過孔的阻抗－頻率響應曲線，如圖1－10所示：

圖1－11反映了有引線/過孔的電容（綠色曲線）和無引線/過孔電容（紅色曲線）的阻抗－頻率特性的比較，可以看出電容的諧振點有向下漂移的趨勢。

4、電源完整性分析軟件對電容分布參數(shù)的計算：

使用SIWAVE也可以分析出電容的引線及過孔的電感對諧振點的影響，將上面的例子轉(zhuǎn)換成siw文件，加入上述參數(shù)的電容（NPO 1000pf），設(shè)定PORT，得到如圖1－12的阻抗-頻率曲線。

從圖1－12可以看出：SIWAVE計算阻抗時已經(jīng)考慮了引線及過孔的影響，1000pf電容的諧振點已經(jīng)由225MHz向下漂移到150MHz左右。

【仿真電容問題總結(jié)】

1）電容的建模問題是PI仿真非常重要的一步，電容廠家很多，參數(shù)不一致，影響PI仿真結(jié)果的準確性。一般國內(nèi)的電容廠家的ESL/ESR值很難提供，可以借助于儀器測量得到參數(shù)；

2）在PCB上完成電容引線時，應該以最小ESL為原則，如：加粗引線，加大過孔等，盡量減小分布電感對諧振點的影響；

3）可以適當采用電容組合；

4）對高頻段采用小電容要慎重，以防引線/過孔電感造成實際諧振點的向低漂移與產(chǎn)生新的諧振點（反諧振），高頻段應該以改進與優(yōu)化PCB設(shè)計為原則。

電源完整性分析與EMI控制

PCB板上存在有兩個主要輻射源。第一是來自頂層和底層的傳輸線。假設(shè)這些線相對應的參考平面是理想的，那么它們的差模輻射是可以根據(jù)導線電流計算得到的。對于頂層和底層的傳輸線，尤其是時鐘，應避免1/4波長的走線；第二個源就是邊緣輻射。電磁場從激發(fā)區(qū)域經(jīng)過電源地平面間傳播到邊緣，在那里產(chǎn)生輻射。平面上存在的任何過孔、不連續(xù)阻抗等，都將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫?地噪聲和邊緣輻射，因此，邊緣輻射直接和電源/地噪聲和電源完整性相關(guān)。一塊具有良好信號完整性的PCB很自然的具有較低的電源/地噪聲和較低的邊緣輻射。

下面結(jié)合高速PCB的SI和設(shè)計過程和本人在設(shè)計中積累的經(jīng)驗，介紹一些通用的設(shè)計規(guī)則和值得注意的設(shè)計要點：

1、信號的過沖與振鈴：

信號質(zhì)量是我們首要關(guān)注的問題，信號的過沖與振鈴會帶來一系列可靠性問題，在EMI的測試方面，數(shù)據(jù)/地址等信號線的過沖與振鈴是輻射背景噪聲的主要貢獻者。

解決信號過沖與振鈴問題的主要手段是端接，選用適當?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)等。

在我們進行高速系統(tǒng)級仿真時，往往常常分析的問題是：當CPU通過總線，接插件，板間級連，PCB走線和多個對象通訊時，在不同對象個數(shù)、不同信號傳輸方向的情況下，系統(tǒng)的各個接收端波形會產(chǎn)生很大的差異，采用適當?shù)亩私硬呗钥梢越鉀Q這些SI問題，

下面舉例說明：

圖2－2是一個典型的CPU通過板級互連的點到多點拓撲結(jié)構(gòu)圖，在源端已經(jīng)加匹配電阻端接，以下是CPU發(fā)送，IOP5接收，在不同負載的條件下，IOP5的接收波形，圖2－3是IOP6不用，其余3個接收端使用的情況下，IOP5的接收波形，可以看出，接收端有明顯的過沖。

解決的方法有：更改拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)整PCB走線的線長，阻抗、更換器件、調(diào)整端接方案等。通過改變圖2－2的拓撲結(jié)構(gòu)的端接電阻的位置,得到拓撲結(jié)構(gòu)圖2－4,我們得到當IOP6不用，其余3個接收端使用的情況下，IOP5的接收波形,見圖2－5。

比較圖2－3和圖2－5可以看出，信號的單調(diào)性(monotonic)，過沖(Overshoot,undershoot)等方面已經(jīng)得到了明顯的改善，同時，時序的改善也是顯而易見的。

2、時鐘電路的處理

時鐘電路的設(shè)計和EMI問題切切相關(guān)，高速PCB的時鐘電路的設(shè)計必須遵循嚴格的設(shè)計原則保證SI和PI的要求，由于時鐘的周期性，在遠場表現(xiàn)為離散的頻譜，EMI超標的部分往往是時鐘或時鐘的諧波，時鐘對遠場EMI的貢獻如圖2－6所示。

在高速PCB的時鐘電路的設(shè)計中，建議遵循以下幾個設(shè)計原則：

◎在點到點或點到多點的時鐘電路設(shè)計中要做嚴格的SI分析確保時鐘最小的過沖與最大噪聲余量，時鐘電路一般采用源端匹配和終端上下拉的方式匹配，如圖2－7、圖2－8、圖2－9，串阻值可以在SQ中用掃描的方法獲得，在保證時序空間有較大余量的前提下，可以調(diào)整串阻值將延適當變緩以減小EMI。

◎晶振的電源單獨供電,通過磁珠加電容濾波電路，將時鐘供電電源與VCC在PCB上隔開，如圖2－10，供電電源由VCC經(jīng)過磁珠Z6和電容C252（0.01u）和C253(1000pf)組成獨立的電源濾波電路，同樣的設(shè)計方法可以用于帶PLL時鐘分配器等電路。

◎時鐘線應盡量走線在內(nèi)層并少打過孔，保證時鐘與回流路徑的最小面積。

3、合理的疊層設(shè)計

高速PCB的疊層設(shè)計在保證電源/地阻抗及EMI控制方面有較大影響，多層板的疊層設(shè)計在SI方面的設(shè)計指南中重點提及，可以參閱其它SI設(shè)計文檔，這里舉一例說明，如圖2－11是一個常用的8層板疊層設(shè)計，圖2－12是12層背板疊層設(shè)計圖：

為保證電源完整性的要求，減小高速PCB的EMI，疊層設(shè)計一般遵循以下幾個設(shè)計原則：

◎電源和地平面采用緊耦合，及電源平面緊貼地平面；

◎在線寬可以滿足的條件下，信號線盡量與參考平面（一般是地）緊耦合；

◎盡量以地平面為參考平面。

4、控制信號線的回流路徑

EMI取決于兩個諧振回路，一個是“旁路環(huán)路”，由IC和旁路電容構(gòu)成；另一個是“信號環(huán)路”，包括信號線在內(nèi)。根據(jù)克?；舴蚨?，任何時域信號由源到負載的傳輸都必須有一個最低阻抗的路徑。圖中I=I′,大小相等，方向相反。圖中I我們稱為信號電流，

I′稱為映象電流，如果信號電流下方是電源層，此時的映象電流回路是通過電容耦合所達到的。見圖2－13。

由此，我們得出在多層PCB中應遵循以下基本原則：

◎電源平面緊貼地平面。

◎信號層和參考平面層靠近，保證信號和回流組成的最小面積，重要信號應該以地平面作參考平面。

◎保證電源與地層阻抗最低，電源地的阻抗分析在下面的PI分析中將重點介紹。

◎高速信號線在換層時，會出現(xiàn)過孔等阻抗不連續(xù)點，應加地過孔或加旁路電容。

5、采用屏蔽過孔抑制EMI

在高速PCB中，電源地之間的噪聲一般通過對外部的連線（如網(wǎng)線）或PCB的邊緣輻射，在PCB邊緣加上屏蔽過孔對邊緣輻射起到阻隔的作用。

6、相鄰平面層的交疊處理

不要將沒有聯(lián)系的平面之間形成交疊，如：模擬電源/模擬地與數(shù)字電源/數(shù)字地，兩者要嚴格分開，不要在平面上存在容性耦合，如圖2－18所示。

7、信號拓撲中Stub的控制

在高速PCB設(shè)計中，尤其要注意盡量減小高速信號的Stub長度，減小“尾巴”的反射，如圖2－19中的S3-S4部分。

8、高速線過孔的優(yōu)化問題

這類問題在高速背板設(shè)計文檔中有詳盡介紹，本文以一常用的過孔的實例介紹過孔的反焊盤的優(yōu)化過程，我們設(shè)計了三種過孔結(jié)構(gòu)的樣板，過孔為12mil，焊盤為24mil，反焊盤分別為38mil/44mil/54mil，三種反焊盤的尺寸的TDR仿真分析結(jié)果對比如圖2－20所示。

由此，我們可以得出結(jié)論，隨著過孔反焊盤的加大，過孔的阻抗不連續(xù)的情況會得到改善。

（上例中過孔兩端的差分阻抗為100ohm）。

高速PCB的電源完整性仿真要領(lǐng)與實例

高速PCB的SI與PI分析是高速電路設(shè)計的重要部分，SI和PI兩者是相輔相成的關(guān)系，完善的PI設(shè)計是保證SI的基礎(chǔ)，S-PI設(shè)計的成功會帶來EMI的改善或者為EMC設(shè)計爭取更大的設(shè)計余量與空間，減少EMC的設(shè)計難度，為高速PCB的EMC問題的最終解決奠定基礎(chǔ)。

對于電源分布系統(tǒng)（PDS）的設(shè)計，在本文中首先關(guān)注的對象是：電源/地平面的阻抗，圖3－1顯示了PCB的PDS設(shè)計中不同頻率范圍，我們選用的電容是不一樣的，不同的電容都有自己的適用范圍，在1KHz以下，主要控制對象在開關(guān)電源；從1KHz到1MHz，我們采用電解電容來完成濾波，從1MHz到100MHz，我們通常選用用高頻陶瓷電容；對于高頻段，我們關(guān)注的對象是電源地平面的設(shè)計。高頻段是PI設(shè)計也是EMI分析的難點，PCB設(shè)計顯得尤為重要。

下面介紹一例復雜單板的電源地阻抗分析與控制過程，該單板的疊層結(jié)構(gòu)如圖1－5，在仿真過程中為了優(yōu)化電容的引線方式，減小寄生電感，對該板的疊層結(jié)構(gòu)做了取樣分析與計算，得到的電容引線電感的分析數(shù)據(jù)如第一章所述，以下是電源地阻抗的解決過程：

該板的設(shè)計難點是VCC1.8V和GND的阻抗，由于VCC1.8V是芯片的核電壓，在PCB的局部區(qū)域采用，因此，在PCB上沒有完整平面，采用在SIG0和BOTTOM鋪銅的方法給芯片供電，圖3－2的蘭色區(qū)域是BOTTOM層的VCC1.8V鋪銅。

PCB在Resonant模式下VCC1.8/GND的諧振區(qū)域如圖3－3。

在VCC1.8/GND的各個平面層間定義PORT，得到Z參數(shù)曲線如圖3－4。

圖3－4反映了阻抗在高頻段逐步走高的趨勢，這是一個較難解決的問題，因為以往的加旁路電容的方法在這里不能完全解決這類問題，為此，我們對PCB作了以下的改進工作：

a)電容Fanout方式的正確選擇，詳細過程參見圖1－7，考慮到公司的工藝要求與實際PCB的密度，選擇了第二種引線方式，同時將過孔孔徑從12mil調(diào)整到16mil，盡量減小過孔電感。

b)適當加一些ESR較低的NPO電容，在本板PI分析中，針對圖3－4的Z參數(shù)曲線，在IC芯片周圍等關(guān)鍵點增加了60個1000pf的NPO電容，NPO和X7R的阻抗曲線比較如圖3－5所示（未考慮引線），這兩種AVX電容在公司庫中均有代碼，NPO的ESR值為0.065 ohm；X7R的ESR值為0.261 ohm。

c)改進VCC1.8V平面層形狀與結(jié)構(gòu)；

移開BGA下的走線，在其它信號層的BGA下鋪銅，由于該設(shè)計的特殊情況，VCC1.8V采用在SIG0與BOTTOM兩層的鋪銅來實現(xiàn)，不如VCC3.3和VCC2.5那樣有完整的平面，因此，增加VCC1.8V與GND之間的平面耦合電容也是解決高頻段阻抗問題的主要手段，如圖3－6所示。

d)在VCC1.8V與GND之間的鋪銅層加地過孔，使各個BGA下的VCC1.8V平面層貫通。

經(jīng)過以上四步對PCB的改進過程，再將改進后的brd文件重新調(diào)入仿真，得到改進后的Z參數(shù)曲線如圖3－7所示。

比較圖3－4和圖3－7可以看出，高頻段Z參數(shù)曲線的逐步走高的現(xiàn)象得以解決，剩下的問題是解決高頻段部分頻率點的諧振問題，圖3－7高頻段Z參數(shù)曲線的放大圖如圖3－8所示。

根據(jù)圖3－8的阻抗曲線，我們又著手下一步的改進方案：

1、首先檢查Brd文件，發(fā)現(xiàn)放在BOTTOM層BGA下方的有些旁路電容引線方式（線寬與過孔）還沒有按要求調(diào)整，另外SIG0和SIG1層4片BGA下方有的鋪銅還可以進一步擴大；

2、增加BGA下的地過孔；

3、由于4片BGA下的空間有限，再增加電容已經(jīng)不可能，因此采取了更改部分BGA下濾波電容值的辦法解決，首先將原先8個0.1u的退耦電容，取出其中3個改為NPO高頻旁路電容，注意選用高頻段電容時一定要考慮到引線/過孔的影響。通過對BRD文件的進一步改進，得到Z參數(shù)曲線如圖3－9。

【電源/地阻抗分析問題總結(jié)】

1、PCB的電源地阻抗分析是解決電源地噪聲的關(guān)鍵所在，也是PI分析很重要的一步，本章節(jié)主要通過實例來說明分析過程；

2、電源地平面結(jié)構(gòu)會對阻抗分析結(jié)果產(chǎn)生重要影響；

3、電容的引線方式與過孔的選擇在高速PCB的電源系統(tǒng)分析中不可忽視，尤其在高頻段；

4、由于本文的篇幅有限，對PI仿真的目標阻抗計算，退耦電容的計算、電容的選取、PCB的材料與結(jié)構(gòu)對阻抗的影響等沒有作詳細介紹，大家可以參閱PI設(shè)計的相關(guān)文檔。

四、結(jié)束語

本文主要介紹了高速系統(tǒng)的信號/電源完整性分析及實現(xiàn)方法，集中介紹了電源完整性/信號完整性分析對EMI控制的影響，指出了信號/電源完整性仿真設(shè)計和EMC設(shè)計的內(nèi)在聯(lián)系，介紹了信號完整性分析和電源完整性分析中應當注意的問題，最后以實例說明PI分析中阻抗分析的過程，希望本文對于從事這方面工作的開發(fā)人員能有所借鑒。

高速電路的設(shè)計設(shè)計過程往往是一個不斷反復的過程，EMC問題的分析與解決過程涉及到電路設(shè)計、EDA設(shè)計、可靠性設(shè)計等方方面面的內(nèi)容，PCB設(shè)計尤其是高速PCB設(shè)計優(yōu)劣是EMI能否得到控制的重要方面，這一點已經(jīng)被實踐所證明，嚴格的信號完整性仿真與電源完整性仿真可以幫助我們最終解決EMC問題，器件和單板的EMI控制是從根本上解決問題，可以給系統(tǒng)最大的設(shè)計空間，這對于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起到非常重要的作用。

審核編輯 ：李倩