如何解決高速PCB的SI/EMI問題

高速高密度多層PCB板的SI/EMC（訊號完整性/電磁兼容）問題長久以來一直是設計者所面對的最大挑戰。然而，隨著主流的MCU、DSP和處理器大多工作在100MHz以上（有些甚至工作于GHz級以上），以及越來越多的高速I/O埠和RF前端也都工作在GHz級以上，再加上應用系統的小型化趨勢導致的PCB空間縮小問題，使得目前的高速高密度PCB板設計已經變得越來越普遍。許多產業分析師指出，在進入21世紀以后，80%以上的多層PCB設計都將會針對高速電路。

高速訊號會導致PCB板上的長互連走線產生傳輸線效應，它使得PCB設計者必須考慮傳輸線的延遲和阻抗搭配問題，因為接收端和驅動端的阻抗不搭配都會在傳輸在線產生反射訊號，而嚴重影響到訊號的完整性。另一方面，高密度PCB板上的高速訊號或頻率走線則會對間距越來越小的相鄰走線產生很難準確量化的串擾與EMC問題。SI和EMC的問題將會導致PCB設計過程的反復，而使得產品的開發周期一再延誤。

一般來說，高速高密度PCB需要復雜的阻抗受控布線策略才能確保電路正常工作。隨著新型組件的電壓越來越低、PCB板密度越來越大、邊緣轉換速率越來越快，以及開發周期越來越短，SI/EMC挑戰便日趨嚴峻。為了達到這個挑戰的要求，目前的PCB設計者必須采用新的方法來確保其PCB設計的可行性與可制造性。過去的傳統設計規則已經無法滿足今日的時序和訊號完整性要求，而必須采取包含仿真功能的新款工具才足以確保設計成功。

目前業界適用于解決這類SI/EMC問題的主要PCB設計工具有Cadence的Allegro PCB SI 230/630和EMControl、明導國際的HyperLynx和Quiet Expert、圖研（Zuken）的Hot-Stage和EMC Adviser，以及Altium的PCB Designer和P-CAD。 Cadence的Allegro PCB SI 230/630提供了一種彈性化且整合的解決方案，它是一種完整的SI/PI（功率完整性）/EMI問題的協同解決方案，適用于高速PCB設計周期的每個階段，并解決與電氣性能相關的問題。

PCB是系統中主要的輻射源，因此，控制系統中所有PCB的EMI輻射，以提高系統抗干擾的能力是確保產品通過EMC測試的最好方法。具體來說，PCB上的EMI問題是由多種噪聲源引起的，如訊號噪音（反射和串擾）、電源/接地噪音與天線等。為了有效減少PCB上的EMI，這些訊號的電源/接地噪音，以及天線噪聲源都必須加以考慮。由于訊號噪聲源是SI問題、電源/接地噪聲源是PI問題，因此EMC問題的解決最終則須依靠正確的SI、PI和EMI設計，而不僅是考慮EMC的問題。Cadence亞太區高速技術中心技術顧問鐘章民表示。 他接著說：“在設計中就透過模擬和限制過程來解決SI和PI問題，便可以實際控制EMI問題的根源，不但減少了后期由SI/PI/EMI問題而糾錯的周期，也降低了產品無法通過EMC測試的風險?！?/p>

不同的實際設計具有不同的EMC特定要求，這可以透過EMC工程師所建置的規則來實現。這些限制條件有些可在Allegro中的規則管理器中設置，有些不能或實時檢查的耗時條件規則需要進行后期檢查。手動進行這種檢查是一件非常費時費力的事情，為此Cadence發布了EMControl工具，它提供了自動大量處理檢查這些EMI/SI/PI規則，并進行交互式設計的方法，使客戶可以在此平臺上開發適合自己的各種規則。

市場上現有的一些EMC工具可以幫助工程師解決一些EMI的問題，然而，卻沒有一種工具可完全準確地模擬EMI效果的工具。目前市場上的EMI模擬工具既費時費力、成本高昂，也無法從根本上解決系統的EMC問題。如果PCB設計者可真正將EMC問題放到設計階段來考慮，那么不僅可以獲得更好的EMC設計效果，而且可以降低設計成本，因而大幅提高了產品通過EMC測試的機會。

Cadence資深技術營銷經理穆珍博士也強調指出：“盡管其它的一些EDA廠商也推出了類似EMControl專家系統的規則檢查方案，但對客戶來講，如何將SI、PI與EMI的問題在設計階段就一并考慮并加以嚴格控制，已經成為業界主流的高性價比設計方法和系統EMC問題解決方案。在這一點上，目前只有Cadence的Allegro PCB SI 230/630工具才能夠在一個平臺上解決和完成?！?/p>

Mentor聲稱，其HyperLynx高速工具套件可用在任何一個設計流程中分析訊號完整性、消除串擾和設計早期檢測出的EMC問題，因而使得PCB設計者可在第一時間發現和消除SI/EMC問題。其EMC模擬分析工具Quiet Expert采用了一種‘專家系統’算法來尋找和發現PCB上的EMC問題，它可顯示存在EMC問題的布線網絡，并提供實用的建議，以協助用戶解決相應的EMC問題。由于它透過使用復雜的算法來避免進行費時的模擬和建模，因此反應速度很快。

圖研的Hot-Stage是一個功能強大的高速電路SI/EMC/EMI系統分析軟件包，它由規則管理器、網絡拓樸編輯器、虛擬原型分析編輯器、仿真器、仿真庫編輯器和原型布局布線編輯器組成，而為PCB設計者提供了一個工程化的虛擬原型設計環境。其中的仿真器可以完成時域和頻域的高精密度電磁場模擬分析，并采用PCB的基本設置和電路設定參數解算出PCB的各種電路參數，如傳輸線參數、特征阻抗參數、PCB網線的串擾，以及與訊號相關的各種特征值。同時，它也可實現所規定的的布局布線，完成對各種傳輸線搭配網絡中各項參數的最佳化，以設計出最優質的網絡搭配。

EMC Adviser是采用專家設計規則的EMC分析工具，它探用圖研的EMC定量模擬分析工具EMC Work bench開發而成。圖研將EMC Work bench的優點結合無法以定量模擬工具檢查和分析EMI/EMC問題的走線方式，整理出24項專家設計規則，這使得目前大多數不具備電磁干擾/電磁兼容理論知識的普通PCB設計者也可根據這些規則快速方便地解決高速高密度PCB設計中出現的EMC問題。

專業的EMC Work bench要求PCB設計者必須懂得SI/EMC的基本理論與其實際應用，以及正確的組件仿真模型和合理的仿真邊界條件設置，而這些基本要求往往是目前許多PCB設計者所缺乏的。圖研株式會社中國業務拓展部總經理Kenji Yamamoto介紹道，EMC Work bench是一套非常專業和復雜的EMC分析工具，以前即使在日本也只有2%左右的工程師能夠獨立熟練地使用這套工具。

整體來說，“Quiet Expert和HyperLynx并不是非常專業的EMI仿真系統，它們跟圖研的EMC Work bench是無法相提并論的?！盰amamoto表示。

Kenji Yamamoto自信地表示：“目前全球唯有圖研可真正將復雜的EMI/EMC仿真工具以EMC設計規則的方式整合在PCB設計工具中。藉由EMC Adviser，可使99%的普通PCB設計人員也能解決高速高密度PCB上的EMC問題?！?不過，他也強調：“EMC Adviser不可能讓PCB設計者一次解決所有的EMC問題，它只能協助設計者有效地降低設計反復次數，大約從以前的10次降低到4次?！?值得注意的是，EMC Adviser也無法完全解決應用系統的EMC問題，它只能解決因PCB布局布線而引起的EMC問題，因為全應用系統的EMC問題還涉及電路設計、I/O和功率組件選擇、功率分配、輸出端口配置，以及機械設計。圖研株式會社中國華南區技術經理李鴻潤補充道。

他接著說，今后解決PCB板上EMI問題的一大發展趨勢是用可撓性PCB來連接具有不同層級的PCB硬板，這可省卻EMI輻射較大的輸出端口和I/O組件，因而有效地改善EMC問題，提高全系統的可靠性和節省系統成本。

不過，盡管EMC設計規則的出現、直觀的系統提示，以及SI/EMC問題的解決不再像以前那樣困難，但SI/EMC模擬分析工具實際上的使用還是非常困難的，很少有用戶能夠獨立掌握和真正有效使用；為了讓客戶充分有效地使用，專業的系統咨詢服務常常是必須的。

Yamamoto強調指出：“與競爭對手相較，我們的另一個優勢是，圖研提供SI/EMC分析軟件工具，并可為向客戶提供專家咨詢服務。這是我們獨特的技術優勢，目前圖研在中國、日本和德國有許多資深的SI/EMC專家已可現場為客戶提供服務?！?/p>

此外，盡管Cadence聲稱Allegro PCB SI 630足以因應今日的幾個GHz級的PCB設計挑戰，但大多數業界人士認為，GHz級以下的PCB設計可以采用上述工具來實現，但對于工作頻率超過GHz的電路，一般需要采用其它高頻設計工具，如安捷倫的EEsof 和Ansoft的Ansoft Designer、HFSS和Nexxim。

圖研的Kenji Yamamoto也坦率地承認了這一點?！皥D研新一代的PCB全整合設計工具套件CR-5000支持的電路最高工作頻率為GHz左右，支持的PCB層數則無限制。一般來說，超過GHz的電路需要采用Ansoft和安捷倫的射頻分析軟件來做，因為此時電路的特性已接近射頻?！彼f，“CR-5000支持原理圖和版圖級設計分割和整合，這使得整塊PCB可被分成高速電路部份、邏輯部份和電源部份來做設計分割，然后再在版圖級整合起來?！?/p>