改善高速 PCB 簽核的三大關鍵

本文將重點介紹如何在無需久等 SI 和 PI 專家反饋的情況下，助力 PCB 設計團隊在預算范圍內按時交付合格的產品。

對于當今設計高速、高密電路板的工程師來說，信號完整性 (SI) 和電源完整性 (PI) 是重中之重。而在設計早期階段發(fā)現 SI/PI 問題，有助于加快設計簽核，以免重新設計。

在簽核高速 PCB 設計時，工程師需要解決三個關鍵問題：電源分析、SerDes 鏈路合規(guī)和 DDR 存儲器接口合規(guī)。電源傳輸網絡（Power Delivery Network, PDN) 必須充足、高效和穩(wěn)定，信號質量必須符合存儲器接口和串行鏈路合規(guī)規(guī)范。

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設計分析框架

設計 PCB 時需要考慮幾個重要框架（圖 1）。

圖 1：設計分析框架

設計的第一步是原理圖；第二步是 layout，并在 layout 的后期階段進行詳細分析以確保 layout 功能符合預期。在設計周期中，任務、優(yōu)先事項和工作重點都會變化，但有一條經驗法則經久不衰：發(fā)現和糾正問題越早越好。

一般來說，設計流程的后期階段才會進行詳細的仿真、分析和優(yōu)化，通常是驗證和簽核的最后一步。一旦此時發(fā)現需求和性能方面的缺陷，就需要花費額外的時間和人力來解決，不可避免地導致項目超出預算并延遲產品上市；然而這些問題原本在設計早期階段就可以發(fā)現并解決——要在當今競爭激烈的電子市場中保持領先，則不能再將分析和驗證放在設計流程的最后階段；而是從設計流程的初始階段開始，就采用設計同步分析 (In-design Analysis, IDA) 方法集成仿真和分析，將分析和驗證視為在芯片、封裝、電路板和完整系統(tǒng)級設計層面的各個階段中都不可分割的一部分。

圖 2：Allegro PCB Designer layout 環(huán)境中的設計同步分析工作流程與Cadence Sigrity Aurora PCB 分析軟件集成

設計團隊是設計過程中的一個重要因素。在設計初期， SI 工程師會來幫助理解設計約束等問題；在 layout 設計階段，layout 設計專家將進行設計；而到了最終 layout 驗證階段，SI 工程師又將再次參與；但是在整個設計過程中，SI 工程師不一定能隨時提供幫助。因此，要想按時交付設計并保質保量，PCB 設計人員需要具備獨立執(zhí)行普通 SI/PI 仿真的能力。在 PCB 設計環(huán)境中直接嵌入仿真工作流程，賦能設計人員，有助于確保設計符合預期并按時交付。

串擾和阻抗匹配等普遍的 SI/PI 問題往往需要在設計初期被快速解決。在設計后期，仿真的細節(jié)精確度非常重要，但在開始階段，設計人員通常只需要確保方向正確。仿真精度與速度往往無法兼得，需要取舍。如果在一開始就需要細節(jié)精確度，設計人員可以縮小工作范圍，只考慮設計的一個部分；而如果整個設計必須盡早進行精確仿真，那么分析工作流程可以利用復雜的分布式計算資源，確保速度精度雙管齊下。

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電源設計分析工作流程

PCB 設計人員面臨的一個主要挑戰(zhàn)是為負載供電。電源正確的直流（幅度）和交流（紋波）對于發(fā)射 (Tx) 和接收 (Rx) 信號至關重要（圖 3）。

圖 3：發(fā)射和接收信號的元件需要充足且穩(wěn)定的直流和交流電源

對于直流電路，電阻很重要；對交流電路來說，重要的則是電感。直流電路包括直流電源、PCB 和 IC 負載，電流需要流向這些負載。直流電源流過 PCB 上的銅，因其電阻并非是無窮小， PCB 上會存在壓降，導致負載側電壓的幅度很可能會比原始電源的幅度低，因此需要分析負載端的電壓是否足夠。每種IC對供電電壓都有要求，設計人員必須確保 IC 芯片獲得了所需的電壓。

直流分析的重點是 PCB 電阻。對于交流分析，邏輯和輸入/輸出 (I/O) 電路每秒要開關數百萬個晶體管，每次晶體管開關時，都需要立即獲得電流，這不太可能來自直流電源，因為 PCB 更像是一個電感器。在較高的開關頻率下，電感阻抗遠遠大于電阻阻抗。因此，PCB 的電感十分關鍵。電感在很大程度上取決于 PCB 的幾何形狀，需要格外關注 PCB layout。電壓調節(jié)器模塊 (Voltage Regulator Module, VRM) 的電感幾乎一定會過高，因此需要使用局部去耦電容來提供開關負載所需的瞬時電流。電容器與其負載之間的電感量很重要：電感越大，電容器的效能就越低，因此必須找到與負載連接的電感較高的電容器，并想辦法降低電感。

電源工作流程：布線前

在設計流程的開始階段，設計人員需要面對幾十上百頁的原理圖、幾十個電壓軌，以及正確設置電源連接的要求。面對龐大而復雜的電源結構，如果能夠以可視化的方式查看電源、負載、無源壓降等位置，設計人員在避免短路或電源連接錯誤等問題上會更加得心應手。Cadence Sigrity PowerTree 能夠可視化原理圖中的電源連接，幫助設計人員在設計早期快速仿真，并發(fā)現意外的電阻降低或連接不當，以便在電路圖中進行修正，避免布線后釀成大錯。

電源工作流程：layout 分析

在 layout 分析工作流程中，工程師可以使用之前創(chuàng)建的 PowerTree 文件與 layout 設計師合作創(chuàng)建電路板文件，分析直流電路并發(fā)現電流瓶頸。在進行直流分析時，需要重點了解流向 IC 負載的 VRM 源電流的大小、IC 獲得的電流大小以及哪些 VRM 連接到哪些IC。PowerTree 文件已經捕獲了所有這些信息，可以在 layout 環(huán)境中提供運行直流壓降分析的一切所需，實現壓降、電流、電流密度、過孔電流等參數的可視化（圖 4）。

圖 4：PCB layout 與 PowerTree 相結合，進行壓降分析

還可以利用 CadenceCelsius Thermal Solver 中的電熱協(xié)同仿真功能進行熱影響分析，以了解電流密度的大小、產生的熱量，以及是否可以有效散熱。

交流分析以類似的方式進行。設計人員擁有電路板和 PowerTree 文件，可以快速運行交流分析，查看數百/數千個去耦電容的放置是否妥當，以及電容器與過孔的距離是否可以接受（圖 5）。所選過孔上每個電容器的電感都會顯示出來，設計人員可以快速查看環(huán)路電感中的異常值，發(fā)現去耦電容的不佳位置。如果有一個小型去耦電容的電感值過高，就意味著 layout 出了問題，設計人員需要先更改 layout，之后再繼續(xù)設計。

圖 5：PCB layout 與 PowerTree 相結合，進行去耦電容位置分析

IDA 可以利用 PowerTree 在布線前階段已經獲得的信息，幫助設計人員快速了解 layout 的質量，并在設計流程的早期解決問題。

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SerDes 合規(guī)設計流程

SerDes 收發(fā)器的工作頻率極高，會導致許多問題，所以在設計方面的容錯率很低。未進行均衡的 SerDes 設計在接收器處可能無法獲得良好的眼圖，因此要使用 IBIS-AMI 模型模擬 Tx 和 Rx 處的均衡，以顯示展開的眼圖。在高速信號下，層之間的過渡非常敏感，必須選擇合適的介電材料，甚至是過孔的位置也變得十分重要，以便盡量減少對通道的影響。

高速 SerDes 通道的 PCB 設計人員通常會在設計初期與 SI 專家一起研究過孔結構。過孔結構的優(yōu)化可決定串行鏈路合規(guī)測試能否通過。

SerDes 設計挑戰(zhàn)和解決方案

電氣工程的基本規(guī)則是，速度越高，需要考慮的細節(jié)就越多。對于以前在低速設計中可以忽略的小結構，如果設計不當，可能會在高速設計中產生災難性的影響。過孔會造成阻抗不連續(xù)，降低信號質量。因此需要仔細設計過孔結構，以便預測它的行為。

傳統(tǒng)的做法是在原理圖階段預先設計結構中的每個過孔，滿足速度要求。而利用設計工具中內置的技術，可以更高效地完成這一耗時的手工流程，輕松設計、仿真和優(yōu)化用于高速信號傳輸的過孔。

Cadence Sigrity Aurora 工作流程包括過孔向導，可快速生成基于 Allegro 的過孔結構。利用這一自動化流程，工程師可以在簡單易用的 Allegro 環(huán)境中自行創(chuàng)建過孔結構，然后使用 Cadence Clarity 3D Solver 進行分析（圖 6）。

圖 6：利用 Sigrity Aurora 過孔向導工作流程，快速生成基于 Allegro 的過孔結構，并使用 Clarity 3D Solver 對過孔進行分析和優(yōu)化

按照慣例，這屬于 SI 專家的工作范疇，但有了 IDA 工具，PCB 設計人員不必依賴 SI 專家的幫助，可以自主完成。整個流程簡單易用，包括設置結構，然后在過孔向導環(huán)境中打開 Clarity 3D Solver，運行仿真，評估結構的有效性，并在流程早期階段進行調整。

SerDes 面臨的另一個挑戰(zhàn)是通道設計中的損耗。在高速運行時，介質材料的損耗可能非常大，因此對通道性能而言，選擇合適的材料、長度等至關重要。許多問題，如堆疊、走線寬度和距接地平面的高度，都需要預先確定。使用 Sigrity Topology Explorer(TopXp)工具對設計中提取的信號進行仿真，設置并掃描參數掃描，將最小/最大長度/間距值輸入 Allegro 原理圖規(guī)則管理器（Allegro System Capture）。初步規(guī)則和原理圖流程如圖 7 所示。隨著設計的推進，根據最終確定的堆疊和材料，可以對這些規(guī)則進行調整。

圖 7：使用 Sigrity Topology Explorer (TopXp) 中的 sweep manager 工具處理 SerDes 規(guī)則和原理圖工作流程

原理圖階段結束后，開始進入 layout 階段，下一個挑戰(zhàn)是規(guī)范合規(guī)。規(guī)范取決于技術：PCIe、USB 等，每種技術都有自己的要求，所以這是一個復雜的過程。在分析過程中，一定要使用正確的發(fā)射器和接收器 IBIS-AMI 模型。對于通道，可以使用 Cadence 工具來準確地建立通道模型和地址規(guī)范。

具體而言，可以使用 layout 設計師創(chuàng)建的電路板文件，選擇幾個或所有通道（取決于時間是否充足），然后對整個通道運行 2.5 或全 3D 分析（圖 8）。

圖 8：通道準確建模，實現規(guī)范合規(guī)的工作流程

利用通道提取的結果，可以根據所需的協(xié)議運行合規(guī)分析。這類分析可能需要重復幾次，因為往往會出現一些在初步階段沒有確定的模糊要求，需要額外的迭代。

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DDR 合規(guī)分析流程

DDR 的速度不如 SerDes 快，在某些方面也沒有 SerDes 那么復雜，但會帶來更多的信號完整性挑戰(zhàn)。某些 DDR 的速度可能與 SerDes 的最低速度重疊，而且有大量的單端和差分網絡，它們都需要滿足復雜的信號完整性要求。

DDR 設計挑戰(zhàn)

早期階段的 DDR 信號完整性問題通常涉及阻抗匹配和信號不連續(xù)、雙列直插式內存模塊 (Dual In-line Memory Modules ,DIMM) 等樁線、端接優(yōu)化和走線串擾等普遍的問題。盡管是基本要求，但重要的是要確保考慮到這些以及更復雜的問題，而且越早越好。為此，與 SerDes 一樣，可以通過Sigrity Topology Explorer進行掃描，從而快速檢查這些問題。通過仿真掃描可以確定約束條件，并將其與原理圖一起保存（圖 9）。

圖 9：在原理圖規(guī)則管理器中優(yōu)化 TopXp 拓撲掃描

生成帶規(guī)則的初步原理圖后，即進入 layout 階段。在這一階段，IDA 可為 PCB 設計人員提供早期布局驗證，增強對layout 正確性的信心。為此，可以在 Allegro layout 環(huán)境中使用 Sigrity Aurora 工作流程快速運行一系列慣例的 SI 分析（阻抗、耦合、串擾、反射、返回路徑等），在走線上直觀地顯示問題所在，減少 SI 專家和 layout 設計人員的反復溝通，及時準確地快速解決問題，縮短設計時間。

如果 layout 設計人員無法解決上述問題，則可以再次使用 Sigrity Typology Explorer來運行迭代。如此一來，設計人員還可以在 layout 階段對初步規(guī)則進行精細調整，更新數值，使之可用于其他信號。

除了通常在原理圖和 layout 階段解決的一般信號完整性問題外，DDR 的性質帶來了三個其他挑戰(zhàn)：同步開關噪聲 (Simultaneous Switching Noise, SSN)、過孔串擾和 JEDEC 標準合規(guī)。

SSN 挑戰(zhàn)

在 SSN 中，晶體管驅動單個比特的輸出，從電壓軌獲取所需功率并將其輸入到網絡中。通常，可從 IBIS 文件或分析中捕獲晶體管的行為。使用 DDR 時，多個網絡可以同時切換，并且狀態(tài)之間的轉換會有高電流變化率 (di/dt) 要求，這會影響電壓電平，反過來又影響轉換（圖 10）。有兩種模型對 SSN 的精確建模至關重要：兼顧電源影響的 IBIS 模型和 PDN 精確模型。

圖 10：多個網絡可同時切換，這對 di/dt 有很高的要求，因此電壓電平和轉換相互影響

返回路徑過孔的挑戰(zhàn)

在圖 11 左側，綠色的線代表數據線 (DQ) 信號過孔，粉紅色區(qū)域是接地 (GND) 過孔，它將兩個接地平面拼接在一起。在圖片右側，其中一個信號在綠色頂層上有一條走線，而第二條線將作為具有理想返回路徑的參考線。

圖 11：信號過孔的返回路徑

然而，返回電流必須流到倒數第二層，為此要找到最近的路徑。信號直接流向信號過孔，而返回路徑則位于信號的正下方，然后信號必須找到通向縫合過孔的路徑，然后再返回，這樣就又回到底層。所有信號過孔都會經歷同樣的情況——它們都使用相同的縫合過孔作為返回路徑，從而導致過孔-過孔串擾。這是一種 3D 現象，而不是簡單的 2D 并行的問題。需要進行 2.5 或 3D 分析來準確建模，借助 Sigrity Aurora 分析工作流程，即便不是 SI 專家也能完成這一任務。

JEDEC 規(guī)范的復雜性

JEDEC 的要求非常復雜，并且含有許多符號或縮略語（Vix, tDQSS, tDSS, tDS, tDSH tDH, tVAC 等....）。此外，不同技術（如 DDR、低功耗 DDR (Low Power DDR, LPDDR)、圖形 DDR (Graphics DDR, GDDR)）、不同版本（DDR3 與 DDR4）以及不同總線（如地址與數據、時鐘信號 (Clock Signal, CLK) 與 DQ 選通 (DQ Strbe, DQS)）的要求也各不相同。

例如，DDR4 數據要求矩形眼圖模板，需要測量誤碼率 (Bit Error Rate, BER)， DDR5 則要求的是菱形。在 Cadence PCB layout 環(huán)境中的分析工作流程中，可以使用 Sigrity PowerSI 和 Clarity 3D Solver 提取引擎，進行詳細、精確的互連建模，輕松應對 SSN、返回路徑過孔和 JEDEC 規(guī)范合規(guī)挑戰(zhàn)。

互連模型提取

在 DDR 工作流程的后期，網絡已經鋪設完成，初步的 DDR 檢查也已經完成。現在，需要提取 2.5 或 3D 互連模型進行 layout 驗證。按時間安排，可以針對一個部分、一個通道或幾個信號進行提取。根據已提取的信息，可執(zhí)行快速波形驗證，確保波形正確（圖 12），還可以使用 Sigrity PowerSI 2.5D 或 Clarity 3D Solver 運行快速 DDR 分析，確保設計滿足所有要求。

圖 12：提取互連模型用于驗證波形和運行 DDR 分析

通過這種流程，設計人員還可以有條不紊地檢查過孔串擾效應、兼顧電源影響的效應和其他高級效應，確保通道符合 DDR 規(guī)范。同樣，這一流程使 PCB 設計人員能夠獨立完成大部分驗證工作，減少對 SI 專家的依賴。

然后，在最終檢查中，使用 Clarity 3D Solver 對整個電路模塊進行全波 3D 仿真分析，確保捕捉到每個細節(jié)，并運行 DDR 合規(guī)分析檢查（圖 13）。

圖 13：在最終設計檢查中，使用 Clarity 3D Solver 對整個模塊進行 DDR 分析

對于合規(guī)分析，仿真工作流程會針對所選的特定協(xié)議提供所有結果。如果設計通過這一流程，就表示電路板的功能一切正常。

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電路板設計示例

本例是一個真實的 PCB 設計，展示了如何使用 Cadence Allegro/Sigrity/Clarity來簡化設計過程。圖 14 展示了設計的規(guī)則階段。

圖 14：PCB 設計實例的規(guī)則階段

該設計處于原理圖階段，PowerTree 文件用于顯示電源軌并驗證其設置是否正確。在這一階段，還將運行一些迭代 DDR 仿真，以確保首次通過的規(guī)則正確無誤。也可以采用同樣的流程運行 SerDes 仿真，確保選擇合適的電介質、堆疊準確無誤等。與此同時，設計人員可以使用 Clarity 3D Solver為 SerDes 設計設置正確的通孔結構并運行分析，然后將其用于 layout 中。

下一階段是電源分析，如圖 15 所示。

圖 15：PCB 設計實例的電源分析階段

現在可以使用初期的 layout 和先前設置的 PowerTree 文件來執(zhí)行初步的交流和直流分析，確保有足夠的電源平面用于直流壓降，并且電感足夠低，以便電容器在高頻下有效工作。由于 layout 和 PowerTree 文件在前一階段已經完成設置，這一階段進行起來要快得多，也容易得多。

圖 16：PCB 實例的高速設計階段

在這一階段，PCB 設計人員與 layout 專家一起運行慣例 SI 分析，找出信號不連續(xù)的問題。使用 Cadence 流程，layout 設計人員可以直觀地發(fā)現并糾正問題，而無需讓 PCB 設計人員參與迭代。設計交回到 PCB 設計人員手中時，細節(jié)問題已經糾正，設計版面更加整潔，花費的時間也更少。PCB 設計可以直接進入 2.5D 或 3D 通道提取階段，以執(zhí)行波形檢查，甚至還可以執(zhí)行一些合規(guī)檢查。此時已接近設計的尾聲，因此可能只需要檢查某些層的合規(guī)性。

最后一步是使用 Clarity 3D Solver 對 SerDes 和 DDR 進行完整的全波 3D 合規(guī)檢查，以驗證整個設計。

本文結論

利用設計同步分析 (IDA) 在設計流程早期發(fā)現 SI/PI 問題，有助于快速完成復雜的高速和/或高密度電路板的驗證和最終簽核。雖然 PCB 設計人員可能需要稍長的時間，來完成設計迭代并糾正基本的 SI/PI 問題，但這樣可以減少重新設計，為項目節(jié)省大量的時間和成本。

本文重點闡述了要成功將產品推向市場，PCB 設計團隊需要解決的三大關鍵問題：電源分析、SerDes 鏈路合規(guī)和 DDR 存儲器接口合規(guī)。采用上述方法，PCB 設計人員能夠依靠自己的力量，在預算范圍內按時交付合格的產品，而無需等待 SI 和 PI 專家抽出時間提供幫助，也不必使用復雜難懂的分析工具。