电源完整性仿真与EMC分析培训讲学

电源完整性仿真与

EMC分析

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高速PCB的信号/电源完整性仿真与EMC分析

摘要

本文以高速系统的信号/电源完整性分析和EMC分析的为基本出发点，着重

介绍了高速PCB的信号和电源完整性分析的基本要领和设计准则，通过EDA分析工具实现PCB的建模与参数提取；通过电磁场分析工具完成网络参数定量分析，从最基本的设计方法入手，提出了高速PCB的信号/电源系统设计参数优化方案，指出了信号/电源完整性仿真设计和EMC设计的内在联系，最后介绍了利用EDA仿真工具和EMC测试验证相结合解决单板PCB设计的EMI问题的成功范例，希望本文总结的经验能给予正在从事高速系统仿真的设计开发人员和EDA设计人员解决此类问题的基本思路与方法。

关键词

结

非理想化电容建模、信号/电源完整性分析、EMC分析、应用举例、问题总

引言

当今的高速PCB设计领域，由于芯片的高集成度使PCB的布局布线密度变大，同时信号的工作频率不断提高,信号边沿(Tr)的不断变陡，由此而引发的信号完整性和电源完整性问题给EDA设计人员和硬件开发人员带来前所未有的挑战，信号/电源完整性问题处理不当同时会带来一系列的EMC问题，给产品的可靠性造成危害。目前，基于Cadence公司SQ的板级与系统级互连仿真已经在公司各事业部广泛应用，在硬件设计流程中引入了SI/PI/EMI的仿真分析环节。网络南

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研的信号/电源完整性仿真的最新进展表明：信号完整性与电源完整性分析做的较成功的PCB，电磁兼容性（EMC）也明显改善。

信号/电源完整性分析通过对PCB的信号互连与电源分配系统（PDS）分析，使用EDA与电磁场分析软件找出PCB的噪声点并加以抑制，通过PCB的优化设计改善层间噪声与电源层和地线层之间的阻抗。降低信号的反射和串扰；改进信号的回流路径，降低电源分配系统阻抗，同步开关噪声，消除PCB上关键点和关键频率的谐振，合理放置去耦电容改善电源地的阻抗与谐振，使用屏蔽过孔等措施减小PCB的边缘辐射。

随着信号的Tr变快，产品的EMC问题成为EDA设计的最大难点。EMC问题由来已久，涉及面较广，随着信号速率的提高和芯片尺寸的减少，传统的EMI设计方法显得力不从心。解决EMC问题和解决其它SI问题显著的不同点在于EMC更依赖于测试，或者是仿真与测试过程两者的融合，不同类型的EMI包括来自于信号互连的连接器，电缆，PCB的连线以及边缘辐射等。

电源和信号完整性对EMI的性能有着直接的影响，从PCB设计阶段控制EMI，能起到事半功倍的作用。我们通常采用下列几种方法来分析并改进信号和电源完整性，从而减小EMI辐射。

1．减少电源地平面间噪声－电源完整性分析 2．优化电源地系统阻抗－电源完整性分析 3．降低串扰和反射－信号完整性分析 4．改善同步开关噪声－信号完整性分析 5．减少边缘辐射－信号完整性/电源完整性分析

一、 关于电源完整性仿真的电容建模

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1、非理想旁路电容的定义：

在电源系统的设计中，我们经常用到以下的三类电容： 1）旁路电容：主要作用是给交流信号提供低阻抗的回流路径； 2）去耦电容：增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响； 3）滤波电容：用于电源滤波电路中，消除电源纹波；

在电源完整性仿真中，我们主要研究对象是非理想化的旁路电容。对于理想的电容来说，不考虑寄生电感和等效串联电阻的影响，那么我们在电容设计上就没有任何顾虑，电容的值越大越好。但实际情况却与理论分析相差很远，并不是电容越大对高速电路越有利，反而在高频段往往采用小电容,电容的材料和制造工艺也有要求。要理解这个问题，我们首先必须了解实际电容器本身的特性，在频率很高时，电容不再被当作理想的电容看待。电容的寄生参数的影响不能忽略。考虑到电容具有一定的物理尺寸，以及起连接作用的安装焊盘和过孔，其寄生参数包括一个串联电感和串联电阻，由此得到如图1－1的电容模型。

图1－1

对电容的高频特性影响最大的则是ESR和ESL，我们通常采用图1－1中简化的电容模型。电容也可以看成是一个串联的谐振电路，当它在低频的情况(谐振频率以下)，表现为电容性的器件，而当频率增加（超过谐振频率）的时候，它渐渐的表现为电感性的器件。也就是说它的阻抗随着频率的增加先增大后减小，等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率处，这时候，电容的容抗和感抗正好抵消，表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻ESR，变化曲线如图1－2所示：

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