PCB Блог - Метод проектирования целостности высокоскоростных цифровых PCB - панелей

В этой статье описывается метод проектирования высокоскоростной цифровой сигнальной PCB - платы, основанной на анализе целостности компьютерного сигнала. В этом методе проектирования все высокоскоростные цифровые сигналы сначала создаются в модели передачи сигнала на уровне PCB - платы, а затем вычисляются и анализируются целостность сигнала, чтобы найти пространство для проектирования и завершить PCB - панель на основе пространства решения. Проектирование и проверка.

С увеличением скорости выходного переключателя интегральных схем и увеличением плотности PCB целостность сигнала стала одной из проблем, требующих внимания при проектировании высокоскоростных цифровых плат PCB. Такие факторы, как параметры компонентов и PCB - панелей, компоновка компонентов на PCB - панелях и проводка высокоскоростных сигналов, могут привести к проблемам с целостностью сигнала, что приводит к нестабильной работе системы или даже вообще не работает. Как в полной мере учитывать целостность сигнала в процессе проектирования PCB и принимать эффективные меры контроля стало горячей темой в современной индустрии проектирования PCB. Высокоскоростной цифровой метод проектирования PCB, основанный на анализе целостности сигнала компьютера, может эффективно обеспечить целостность сигнала, разработанного PCB.

1. Обзор проблемы целостности сигнала

Целостность сигнала (SI) - это способность сигнала реагировать в цепи в правильной последовательности и напряжении. Если сигнал в цепи может достигать IC в требуемых временных рядах, длительности и амплитуде напряжения, схема имеет хорошую целостность сигнала. Вместо этого, когда сигнал не отвечает правильно, возникает проблема целостности сигнала. В широком смысле проблема целостности сигнала в основном проявляется в пяти аспектах: задержка, отражение, последовательное возмущение, шум одновременного переключения (SSN) и электромагнитная совместимость (EMI). Задержка означает, что сигнал передается с ограниченной скоростью на проводе PCB - платы. Сигнал передается от передатчика к приемнику, и между ними существует задержка передачи. Задержка сигнала влияет на время работы системы. В высокоскоростных цифровых системах задержка распространения в основном определяется длиной провода и диэлектрической константой среды вокруг провода. Кроме того, когда характеристическое сопротивление провода на PCB (называемого линией передачи в высокоскоростной цифровой системе) не совпадает с сопротивлением нагрузки, часть энергии отражается вдоль линии передачи после того, как сигнал достигает приемного конца, что приводит к искажению формы сигнала и даже к перегрузке и спуску сигнала. Если сигнал отскакивает назад и вперед по линии передачи, это может привести к звонкам и звонкам. Поскольку существует взаимная емкость и взаимная индуктивность между любыми двумя устройствами или проводами на PCB, когда сигнал на одном устройстве или проводе изменяется, изменения влияют на другие устройства или другие устройства через взаимную емкость и индуктивность. Электрические провода, это и есть помехи. Интенсивность последовательных помех зависит от геометрии и расстояния между устройством и проводом.

При синхронном переключении многих цифровых сигналов на PCB (например, шины данных CPU, адресные шины и т. Д.) из - за сопротивления на линии электропитания и наземной линии возникает шум синхронного переключения, и плоскость заземления отскакивает от земной линии. Шум (сокращенно - отскок от земли). Интенсивность SSN и отскока от заземления также зависит от IO - характеристик интегральной схемы, сопротивления слоя питания и заземления PCB, а также компоновки и проводки высокоскоростных устройств на PCB. Кроме того, как и в других электронных устройствах, есть проблемы с электромагнитной совместимостью панелей PCB, которые в основном связаны с компоновкой панелей PCB и методами проводки.

2. Традиционные методы проектирования PCB - панелей

В традиционном процессе проектирования конструкция платы PCB включает в себя проектирование схемы, проектирование макета, производство платы PCB, измерения и отладку. На этапе проектирования схемы из - за отсутствия эффективных методов и средств анализа характеристик передачи сигнала на реальной плате PCB проектирование схемы обычно может основываться только на производителе компонентов и рекомендациях, а также на предыдущем опыте проектирования. Поэтому для нового проекта проектирования часто бывает трудно правильно выбрать такие факторы, как топологическая структура сигнала и параметры компонентов в зависимости от конкретной ситуации. На этапе проектирования PCB также трудно анализировать и оценивать изменения в производительности сигнала, вызванные компоновкой компонентов PCB и маршрутизацией сигнала в режиме реального времени, поэтому качество проектирования PCB в большей степени зависит от опыта дизайнера. На этапе производства PCB - панелей, поскольку технология каждого производителя PCB - панелей и компонентов не идентична, параметры PCB - панелей и компонентов обычно имеют больший диапазон допусков, что затрудняет контроль производительности PCB - панелей. В традиционном процессе проектирования PCB - панелей производительность PCB - панелей может быть оценена только инструментальными измерениями после завершения производства. Проблемы, обнаруженные на этапе отладки PCB - платы, должны быть изменены при следующем проектировании PCB - платы. Но еще сложнее то, что в предыдущих схемах и макетах некоторые проблемы часто трудно количественно определить в качестве параметров. Таким образом, для более сложных плат PCB, как правило, требуется многократное повторение процесса, чтобы в конечном итоге соответствовать требованиям дизайна. Из этого можно видеть, что использование традиционного метода проектирования платы PCB, длительный цикл разработки продукта, затраты на исследования и разработки соответственно выше.

Метод проектирования PCB - панелей на основе анализа целостности сигнала

Процесс проектирования PCB - панелей, основанный на компьютерном анализе целостности сигнала, показан на рисунке 2. По сравнению с традиционными методами проектирования PCB - панелей метод проектирования, основанный на анализе целостности сигнала, имеет следующие характеристики: перед проектированием PCB - панели сначала была создана модель целостности сигнала для высокоскоростной цифровой передачи сигнала. В соответствии с моделью SI был проведен ряд предварительных анализов проблемы целостности сигнала, и на основе результатов моделирования были выбраны подходящие типы компонентов, параметры и топология схемы в качестве основы для проектирования схемы. В процессе проектирования схемы проектная схема отправляется в модель SI для анализа целостности сигнала, а конструкция вычисляется и анализируется с учетом таких факторов, как диапазон допусков для элементов и параметров панели PCB, топологическая структура и изменения параметров, которые могут возникнуть при проектировании панели PCB. Пространство решений. После завершения проектирования схемы каждый высокоскоростной цифровой сигнал должен иметь непрерывное и достижимое пространство для решения. То есть, когда параметры PCB - панелей и компонентов изменяются в определенном диапазоне, компоновка элементов на PCB - панели и способ проводки сигнальных линий на PCB - панели имеют определенную гибкость, которая по - прежнему гарантирует целостность сигнала. Требования До начала проектирования ткани пластины PCB граничное значение каждого полученного пространства для решения сигнала используется в качестве ограничения для проектирования ткани в качестве основы для проектирования ткани и проводки пластины PCB. При проектировании компоновки PCB частично или полностью завершенная конструкция отправляется обратно в модель SI для анализа целостности сигнала после проектирования, чтобы убедиться, что фактическая компоновка соответствует ожидаемым требованиям целостности сигнала. Если результаты моделирования не отвечают требованиям, необходимо изменить конструкцию макета или даже схему, чтобы снизить риск отказа продукта из - за неправильной конструкции. После завершения проектирования PCB - панелей можно производить PCB - панели. Допуски к производственным параметрам PCB должны находиться в пространстве решения для анализа целостности сигнала. После завершения изготовления PCB - панелей измерения и отладки производятся с использованием приборов для проверки правильности модели SI и анализа SI и использования их в качестве основы для коррекции модели. Опираясь на правильную модель SI и аналитический подход, PCB - панель может быть окончательно доработана без необходимости или необходимости нескольких повторных изменений в дизайне и производстве, что может сократить цикл разработки продукта и снизить затраты на разработку.

Модель анализа целостности сигнала

Наиболее важной частью метода проектирования PCB - панелей, основанного на компьютерном анализе целостности сигнала, является создание модели целостности сигнала PCB - уровня, которая отличается от традиционного метода проектирования. Правильность модели SI определяет правильность дизайна, а конструктивная способность модели SI определяет жизнеспособность этого метода проектирования.

4.1. Модель SI для PCB - панелей

Существует несколько моделей, которые можно использовать для анализа целостности сигналов уровня PCB в электронном дизайне. Среди них обычно используются три типа: SPICE, IBIS и Verilog - A.

Модель SPICE

SPICE - это мощный универсальный симулятор аналоговых схем. В настоящее время модель SPICE широко используется в электронном дизайне и имеет две основные версии: HSPICE и PSPICE, HSPICE в основном используется для проектирования интегральных схем, а PSPICE в основном используется для проектирования плат PCB и системного уровня. Модель SPICE состоит из двух частей: уравнения модели и параметры модели. Благодаря наличию уравнений модели, алгоритмы модели SPICE и симулятора могут быть тесно связаны друг с другом, чтобы получить лучшую аналитическую эффективность и результаты. При выполнении SI - анализа на уровне PCB - платы с использованием модели SPICE дизайнеры и производители интегральных схем должны предоставить подробные и точные модели SPICE, описывающие производственные параметры подсистем и полупроводниковые характеристики ИС I / O. Поскольку эти материалы обычно являются интеллектуальной собственностью и конфиденциальностью дизайнеров и производителей, только несколько производителей полупроводников предлагают соответствующие модели SPICE вместе с чипами. Точность анализа модели SPICE зависит главным образом от параметров модели (т.е. характера данных) и сферы применения уравнений модели. При сочетании с различными цифровыми симуляторами уравнения модели также влияют на точность анализа. Кроме того, симуляционные вычисления модели SPICE на уровне PCB - панелей относительно велики, и анализ занимает много времени.

b. Модель IBIS

Модель IBIS была первоначально разработана компанией Intel для анализа целостности цифровых сигналов на уровне PCB - панелей и систем. В настоящее время он управляется Открытым форумом IBIS и является официальным отраслевым стандартом (EIA / ANSI 656 - A). Модель IBIS использует формы таблиц I / V и V / T для описания характеристик элементов I / O и выводов цифровых интегральных схем. Поскольку модель IBIS не требует описания внутренней конструкции блока I / O и параметров производства транзисторов, она приветствуется и поддерживается производителями полупроводников. Все крупные производители цифровых интегральных схем теперь могут предлагать соответствующие модели и чипы IBIS. Точность анализа модели IBIS в значительной степени зависит от количества точек данных и степени данных в таблицах I / V и V / T. Поскольку моделирование уровня PCB на основе модели IBIS рассчитано с использованием таблицы поиска, расчет меньше и обычно составляет от 1 / 10 до 1 / 100 соответствующей модели SPICE.

Модели Verilog AMS и VHDL - AMS

Верилог AMS и VHDL - AMS появились менее четырех лет назад и являются новыми стандартами. Как язык моделирования поведения аппаратного обеспечения, Verilog AMS и VHDL - AMS являются гипермножествами Verilog и VHDL соответственно, в то время как Verilog - A является подмножеством Verilog AMS. В отличие от моделей SPICE и IBIS, на языке AMS пользователи пишут уравнения, описывающие поведение компонентов. Подобно модели IBIS, язык моделирования AMS является независимым форматом модели, который может использоваться для многих различных типов инструментов моделирования. Уравнения AMS также могут быть написаны на многих разных уровнях: транзисторный уровень, модульный уровень I / O, батарея I / O и т. Д. Поскольку Verilog AMS и VHDL - AMS являются новым стандартом, до сих пор только несколько производителей полупроводников могли предлагать модели AMS и поддерживать меньше симуляторов AMS, чем SPICE и IBIS. Однако модель AMS не менее осуществима и вычислительная точность в анализе целостности сигналов на уровне PCB, чем модели SPICE и IBCS.

4.2 Выбор модели

Поскольку нет единой модели для завершения анализа целостности сигнала на всех уровнях PCB, при проектировании высокоскоростных цифровых плат PCB необходимо смешивать эти модели для создания модели передачи ключевых сигналов и сигналов датчиков. Для автономных пассивных устройств можно запросить модель SPICE от производителя или создать и использовать упрощенный режим SPICE непосредственно с помощью экспериментальных измерений. Для ключевых цифровых интегральных схем необходимо искать модель IBIS, предоставленную производителем. В настоящее время большинство дизайнеров и производителей IC могут предоставить необходимые модели и чипы IBIS через веб - сайты или другие средства. Для некритических интегральных схем, если модель IBIS производителя недоступна, аналогичная или по умолчанию модель IBIS также может быть выбрана в соответствии с функцией вывода чипа. Конечно, упрощенная модель IBIS также может быть построена с помощью экспериментальных измерений. Для линий передачи на PCB - панелях упрощенная модель SPICE передающей линии может использоваться для предварительного анализа целостности сигнала и пространственного анализа решений, а в анализе после проводки необходимо использовать полную модель SPICE линии передачи в соответствии с фактической компоновкой.

Интеграция методов проектирования с существующим программным обеспечением EDA

В настоящее время индустрия дизайна PCB - плат не имеет интегрированного программного обеспечения EDA для выполнения вышеуказанного метода проектирования, поэтому его необходимо реализовать с помощью комбинации общих программных инструментов. Используйте общее программное обеспечение SPICE (например, PSPICE, HSPICE и т. Д.) для создания, отладки и проверки моделей SPICE для дискретных, пассивных устройств и линий передачи на PCB. Добавьте модель SPICE / IBIS для каждого полученного компонента и линии передачи в общее программное обеспечение для анализа целостности сигнала, такое как SPECCTRARQuest, HyperLynx, Tau, IS Analyzer, для создания модели анализа сигнала SI на панели PCB и проведения аналитического анализа целостности сигнала. Используйте функции базы данных программного обеспечения SI Analytica или другое универсальное программное обеспечение базы данных для дальнейшей организации и анализа результатов симуляционных операций, чтобы найти идеальное пространство для решения. Используя граничные значения пространства решений в качестве основы для проектирования схем PCB и ограничений для проектирования макета, программное обеспечение EDA для проектирования схем PCB общего назначения, такое как OrCAD, Protel, PADS, PowerPCB, Allegro и Mentor, используется для проектирования схем PCB и макетов. По завершении проектирования схемы PCB - платы параметры фактической схемы проектирования (например, топология, длина, интервал и т.д.) могут быть автоматически или вручную извлечены из вышеупомянутого программного обеспечения для проектирования схемы и отправлены обратно в предыдущее программное обеспечение для анализа целостности сигнала для проводки. SI - анализ для проверки того, что фактическая конструкция соответствует требованиям пространства решения. При изготовлении PCB - панелей точность каждой модели и аналоговых вычислений также может быть проверена измерениями экспериментальных приборов.

Этот метод проектирования имеет большое практическое значение для проектирования и разработки высокоскоростных цифровых плат PCB, которые не только эффективно улучшают проектные характеристики продукта, но и значительно сокращают цикл разработки продукта и снижают затраты на разработку. Можно предвидеть, что по мере того, как модели анализа целостности сигнала и алгоритмы вычислительного анализа продолжают улучшаться и совершенствоваться, методы проектирования PCB - панелей, основанные на компьютерном анализе целостности сигнала, будут все чаще использоваться при проектировании электронных продуктов.