基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法研究
基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究
基于 CST 软件的 PCB 板电磁兼容 仿真技术研究
硕 士 研 究 生 ：赵 爽 指 导 教 师 ：张殿伦 教授 学 位 级 别 ：工程硕士 学 科 、 专 业 ：电子与通信工程 所 在 单 位 ：水声工程学院 论文提交日期 ：2013 年 5 月 24 日 论文答辩日期 ：2013 年 6 月 20 日 学位授予单位 ：哈尔滨工程大学
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哈尔滨工程大学硕士学位论文
Key words: electromagnetic compatibility; signal integrity; power integrity; IBIS; CST software simulation
PCB信号完整性分析与设计
PCB信号完整性分析与设计在电子设计领域，信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指电路系统中信号的质量和稳定性。
PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）作为电子设备的基础组件，其信号完整性分析与设计直接影响到整个电子设备的工作性能。
本文将探讨PCB信号完整性分析的重要性以及设计策略。
在现代电子系统中，高速数字信号的传输越来越普遍，对PCB信号完整性的要求也越来越高。
如果信号完整性得不到保障，会导致一系列问题，如电磁干扰（EMI）、电源噪声、时序错误等，严重时可能导致系统崩溃。
阻抗不连续：当信号在PCB走线传输时，如果阻抗突变，会导致信号反射，从而影响信号完整性。
串扰：相邻信号线之间的电磁耦合会导致信号间的干扰，影响信号的纯净性。
电源噪声：电源的不稳定或噪声会影响数字系统的时序和稳定性。
接地问题：不合理的接地方式会导致信号间的干扰和电源噪声的引入。
合理规划信号走线：根据信号的特性和频率，选择合适的走线方式，如并行走线、差分走线等，以减小信号间的干扰。
优化阻抗匹配：通过计算和控制阻抗，使信号在传输过程中的反射最小。
减少串扰：通过增加间距、使用屏蔽罩等方式，减小信号间的电磁耦合。
电源和接地设计：采用稳定的电源系统和合理的接地方式，以减小电源噪声和信号干扰。
使用去耦电容：在关键电源和接地节点处使用去耦电容，可以有效吸收电源噪声和减少信号干扰。
信号时序控制：通过合理的设计，保证信号的时序正确，避免因时序错误导致的系统不稳定。
仿真与优化：使用专业的仿真工具对设计进行仿真，根据仿真结果对设计进行优化。
PCB信号完整性分析与设计是保证现代电子系统性能的重要环节。
通过对影响信号完整性的主要因素进行分析，我们可以针对性地提出有效的设计策略。
在实施这些策略时，需要综合考虑系统的复杂性和实际可操作性，确保设计的实用性和有效性。
随着电子技术的发展，我们需要不断地更新和改进信号完整性设计和分析的方法，以满足更高性能、更低功耗、更小体积的电子设备需求。
PCB电路中信号完整性分析与EMC仿真技术
１ Ｃ Ｐ Ｂ电路 中的信 号完整 性分 析
在 Ｐ Ｂ设计中， ＭＣ Ｅ 主要分析布线网络本身 的信号 Ｃ Ｅ ／ＭＩ 完整性 ，实际布线 网络可能产生的 电磁辐射和 电磁干扰 以及 电路板本身抵抗外部电磁干扰 的能力 。具体来说，信 号完整 性分析包括 同一布线网络 上同一信 号的反射分析、阻抗匹配 分析 、 号过冲分 析、 信 信号时序分析、 信号强调分析等［］ １０对 － ３ 于邻近布线 网络上不 同信号之 间的串扰分析， 由于在相邻Ｐ Ｂ Ｃ 布线之 间存在寄生 电容 ＣＳ 高频信号会通过 Ｃ Ｖ引起互相 Ｖ， Ｓ 干扰 ， 在一路 有脉冲信号通过时 ， 另一路上在脉冲的上升沿和 下降沿位置有干扰脉冲 出现 ， 这就是 Ｐ Ｂ布线 间的串扰 。串 Ｃ 扰 一方 面影 响信 号质量 ， 同时串扰脉冲也是 Ｅ 的主要发射 ＭＩ 源 。在信号完整性分析时还必须考虑布线 网络 的几何拓扑结 构， Ｃ Ｐ Ｂ绝缘层 的电介质特 性以及每一布线层 的电气特性。 信 号完整性的建模 与仿真是通过使用 电路与电磁场 的分析软件 完成的，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 ， 消除频率的谐振， 理放置去耦 合 与旁路 电容改善电源地的阻抗 与谐振 ，使用屏蔽过孔 等措施 改进 边 缘 辐 射 。如 图 １ 示 ， 原始 信 号 的 “ 声 状 ” 域 进 所 对 噪 区 行放大 以后 ， 发现 该信 号明显有一个固定的频 率分量在里面 ， 约为 ３ ｚ ＧＨ 左右 ， 通过理论分析， 该信号应该是本振泄露（ 本振 为 １ Ｇ ） 由于混频器产生的二次谐波以及混频后引入 的直 ． Ｈｚ ， ５ 流漂移经共 同的“ 地层 ” 串扰至接收信号造成 的。理论仿真结 果 （ｃ图） （） 与实 际结果 （ ） 对 比如 图 １ ） ） （ 图） ｄ （ （ 所示。 ｃｄ
信号完整性与电源完整性的研究与仿真的开题报告
信号完整性与电源完整性的研究与仿真的开题报告一、选题背景及意义信号完整性和电源完整性感性地理解，即不同的信号和电源是否能够在电路中保持其原始状态。
在高速PCB设计中，信号完整性问题和电源完整性问题是非常普遍的，它们会产生各种各样的电路干扰，如噪音、电磁干扰等等，从而导致电路性能的下降或者系统功能的失效。
因此，实现信号完整性和电源完整性对于保证电路性能和系统可靠性是至关重要的。
然而，在高速PCB设计中，对于信号完整性和电源完整性的研究与仿真是一个非常重要的环节。
二、研究目标本研究的主要目标是探讨信号完整性和电源完整性在高速PCB设计中的关键问题，例如信号的传输和噪声的抑制、电源的供电质量和稳定性等等。
通过对实验和仿真的比较，分析影响信号完整性和电源完整性的因素，并提供相应的设计方法和方案。
三、研究内容与步骤1、了解信号完整性和电源完整性相关的理论知识。
2、分析信号完整性和电源完整性的影响因素。
3、研究现有的信号完整性和电源完整性仿真方法，并结合实验进行对比分析。
4、验证设计方案，通过仿真分析和实验验证，确定最优解决方案。
5、总结研究成果，提出针对信号完整性和电源完整性研究的未来发展方向。
四、预期成果与创新点预计本研究将通过实验和仿真，提供了解信号完整性和电源完整性在高速PCB设计中的关键问题的详细分析，为保证电路性能和系统可靠性提供设计方案和方法，并为相关领域的研究提供创新点。
五、研究方法本研究采用实验和仿真相结合的方法，通过实验验证仿真结果的准确性，并通过仿真得到更多有价值的信息。
在实验方面，将借助现有的测试设备进行测试，如信号发生器、示波器等。
在仿真方面，将采用相应的仿真软件工具，如Altium Designer 等进行仿真。
六、研究难点1、信号完整性和电源完整性影响因素的综合分析。
2、如何针对信号完整性和电源完整性的问题提供最优解决方案。
3、通过仿真和实验得到准确的结果和分析。
七、时间安排本研究计划在2021年9月至2022年6月期间完成。
Cadence SI信号完整性仿真技术
Cadence PCB SI仿真流程——孙海峰高速高密度多层PCB板的SI/EMC(信号完整性/电磁兼容)问题长久以来一直是设计者所面对的最大挑战。
然而，随着主流的MCU、DSP和处理器大多工作在100MHz以上(有些甚至工作于GHz级以上)，以及越来越多的高速I/O埠和RF前端也都工作在GHz级以上，再加上应用系统的小型化趋势导致的PCB 空间缩小问题，使得目前的高速高密度PCB板设计已经变得越来越普遍。
许多产业分析师指出，在进入21世纪以后，80%以上的多层PCB设计都将会针对高速电路。
高速讯号会导致PCB板上的长互连走线产生传输线效应，它使得PCB设计者必须考虑传输线的延迟和阻抗搭配问题，因为接收端和驱动端的阻抗不搭配都会在传输在线产生反射讯号，而严重影响到讯号的完整性。
另一方面，高密度PCB板上的高速讯号或频率走线则会对间距越来越小的相邻走线产生很难准确量化的串扰与EMC问题。
SI和EMC的问题将会导致PCB设计过程的反复，而使得产品的开发周期一再延误。
一般来说，高速高密度PCB需要复杂的阻抗受控布线策略才能确保电路正常工作。
随着新型组件的电压越来越低、PCB板密度越来越大、边缘转换速率越来越快，以及开发周期越来越短，SI/EMC挑战便日趋严峻。
为了达到这个挑战的要求，目前的PCB设计者必须采用新的方法来确保其PCB设计的可行性与可制造性。
过去的传统设计规则已经无法满足今日的时序和讯号完整性要求，而必须采取包含仿真功能的新款工具才足以确保设计成功。
Cadence的Allegro PCB SI提供了一种弹性化且整合的信号完整性问题解决方案，它是一种完整的SI/PI(功率完整性)/EMI问题的协同解决方案，适用于高速PCB设计周期的每个阶段，并解决与电气性能相关的问题。
Allegro PCB SI信号完整性分析的操作步骤，就是接下来将要介绍的。
一、Allegro PCB SI分析前准备：1、准备需要分析的PCB，如下图；2、SI分析前的相关设置，执行T ools/Setup Advisor,进入Database Setup Advisor 对话框，进行SI分析前的设置；（1）设置PCB叠层的材料、阻抗等，点击Edit Cross section，进入叠层阻抗等设置界面。
《信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计》
信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计1简介信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口信号的还原程度。
在讨论信号完整性设计性能时，如指定不同的收发参考端口，则对信号还原程度会用不同的指标来描述。
通常指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。
而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。
电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。
同样，对于同一系统中同一个器件的正常工作条件而言，如果指定的端口不同，其工作电源要求也不同（在随后的例子中将会直观地看到这一点）。
通常指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点，此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标，常用纹波大小或者电压最大偏离范围来表征。
图一是一个典型背板信号传输的系统示意图。
本文中“系统”一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与PCB板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。
从设计目的而言，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。
图1 背板信号传输的系统示意图在本文的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧。
而不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。
为描述方便起见以下用“完整性设计与分析”来指代“信号完整性与电源完整性设计与分析”。
2 版图完整性问题、分析与设计上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实现。
基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究
基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究一、本文概述随着电子技术的飞速发展，电子设备在日常生活中的应用越来越广泛，从家用电器到通信设备，再到航空航天设备，电子设备无处不在。
然而，随着电子设备数量的增加，电磁兼容性问题也日益凸显。
电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在共同的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
在电子设备的设计和制造过程中，电磁兼容性的分析和优化至关重要。
本文主要研究基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术。
CST是一款强大的电磁仿真软件，广泛应用于电磁场分析、电磁兼容性分析、天线设计等领域。
本文首先介绍了电磁兼容性的基本概念和重要性，然后详细阐述了CST软件的基本原理和功能特点，接着重点探讨了使用CST软件进行PCB板电磁兼容仿真的方法和流程，包括模型建立、仿真设置、结果分析等步骤。
本文旨在通过深入研究基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术，为电子设备的设计和制造提供一种有效的电磁兼容性分析和优化方法。
本文也期望通过分享实际案例和经验，为同行提供参考和借鉴，共同推动电磁兼容仿真技术的发展。
二、CST软件介绍CST（Computer Simulation Technology）是一款广泛应用的电磁场仿真软件，被工程师和研究人员用于模拟和分析各种电磁兼容性问题。
CST软件具有高度的集成性和灵活性，可以精确地模拟从低频到高频，从直流到微波的电磁现象。
该软件提供了丰富的工具和算法，可以模拟复杂的电磁环境和设备，预测和优化产品的电磁兼容性。
CST软件的主要特点包括其强大的求解器，支持多种电磁场求解方法，如时域有限差分法（FDTD）、频域有限积分法（FIT）等。
这些求解器可以适应不同的仿真需求，从简单的电路分析到复杂的三维电磁场模拟。
CST软件还具有强大的后处理功能，可以将仿真结果以直观的方式呈现出来，帮助用户更好地理解和分析电磁兼容性问题。
在PCB板电磁兼容仿真方面，CST软件提供了专业的PCB板模块，可以模拟和分析PCB板上的电磁场分布、信号传输和干扰等问题。
PCB的板级电磁兼容问题
PCB的板级电磁兼容问题一、（芯片）（集成电路）现状现阶段，（电子）系统正向高速化和高密度化飞跃发展。
在电子系统的设计过程中，系统的体积越来越小，IC引脚（in（te）grated circuit,集成电路）却越来越多，因此（PCB）（Printed Circuit Board,印制电路板）上的元件与布线越来越密集；与此同时，（信号）的（时钟）频率越来越大，并且信号上升沿越来越陡峭。
这些因素都导致了电磁环境的日益复杂，设备之间以及设备内部因互感和互容引发的种种（电磁兼容）问题已不容忽视。
这一问题在现今的强辐射源与高功率（微波）系统中也显得日益突出。
如在某高功率微波系统中，需要在限定的体积和尺寸下，采用（FPGA）芯片实现对多路（电机）的并行控制，就需要设计高速高密度的PCB。
本文就研究该情况下PCB的板级电磁兼容问题，主要包括信号完整性（Signal Integrity, SI）和（电源）完整性（PowerIntegrity，PD问题。
二、信号完整性及电源完整性问题信号完整性概括地说，是指信号在信号线上传输质量的好坏。
在（数字电路）中，体现在信号能在电路中能以正确的电压、带宽和时序做出响应。
若在PCB中，信号可以以正确的电压大小、带宽和时序都到达接收端，就能说明该PCB具有较好的信号完整性。
如果不能，则说明PCB中岀现了严重的信号完整性问题。
在高速高密度的数字电路中，信号完整性问题大致表现在一下几个方面：振铃、过冲、欠冲和时延等。
为了正确读取数据并对数据进行处理，数据在集成电路中需要在时钟边沿的前后处于稳定状态。
这个时间段内，如果信号不稳定或者发生状态的改变，集成电路就可能误判甚至发生丢失部分数据的情况，影响信号的正常传输。
如图1所示，若岀现振铃、上冲或下冲等信号完整性问题，就会影响数据的正常传输，从而影响PCB的正常工作，也可以从眼图直观判断信号传输的好坏，如图2图1PCB中信号完整性问题的表现图2 表征信号完整性问题的眼图信号完整性问题既会导致信号明显的失真和时序混乱，也会造成数据的错误，从而造成系统出错甚至瘫痪。
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基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法
研究
摘要：基于数字样机的多学科协同设计，是应对传统的印制电路板（PCB：PrintedCircuitBoard）设计周期长、成本高和一次设计成功率低等不足的重要技术
手段，已被广泛地应用于电子产品的研发设计中。
PCB协同设计主要是对其功能、性能和可靠性等方面进行评估和改进，涉及到多物理场、多学科的仿真软件工具集。
针对日益复杂的电子设备电磁兼容设计，提出基于信号完整性与电源完整性
的PCB电磁兼容协同仿真方法。
关键词：信号完整性；电源完整性；PCB；电磁兼容；协同仿真；方法研究
1、前言
随着电子设备高速化、低功耗、小型化的飞速发展，PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）设计人员面临的信号完整性、电源完整性与电磁兼容性问题日益突出，已成为高可靠性PCB设计的瓶颈之一。
信号完整性、电源完整性与电磁兼容
性问题不是独立的现象，核心都是电磁场问题，它们之间相互影响，1个方面的
改善可促进另2个方面的改善，割裂、单一地进行分析不能全面解决问题，只有
对三者进行整体的分析研究才能解决高性能、高可靠PCB设计所面临的难题，从
根本上提高PCB的电磁兼容性能。
2、基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法
针对目前日益突出的SI，PI和EMC问题及它们之间紧密的联系，本文提出基
于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法，其核心是基于电磁场
和电路仿真结合的方法从SI，PI和EMC这3个方面对PCB进行整体的、全流程
的仿真，从3个方面来提高PCB设计的电磁兼容性，仿真方法与流程如图1所示。
图1 PCB 电磁兼容的协同仿真方法与流程
PCB的电源平面与地平面相当于一个谐振腔，具有谐振特性，利用电磁场仿
真分析方法分析PCB电源平面与地平面谐振，查看谐振频率点及谐振电压分布，
避免PCB的工作频率落到谐振频率附近，避免关键芯片的布局位置位于谐振电压
峰值处，从而减少噪声的耦合和辐射发射。
稳定干净的电源是PCB正常工作的基本保证，进行电源平面阻抗仿真分析，
查看所关注电源平面的阻抗是否低于目标阻抗值，若平面阻抗高于目标阻抗，添
加去耦电容或优化PCB叠层设计降低电源与地平面之间的阻抗，以减少电压波动
对芯片工作的影响。
过大的直流电压压降会引起芯片工作异常，通过分析电源平
面电流及电压分布，减少不合理的电源平面分割所造成电流分布密度过大和电压
压降过大的问题。
信号完整性分析主要从信号的时序、电压等方面考察信号质量，确保信号能
正常到达接收端，同时减少噪声的产生和传播，利用电磁场仿真方法提取PCB上
关键信号网络的参数模型，结合芯片模型搭建仿真电路进行电路仿真，查看关键
信号网络的信号质量，通过调整布线等手段优化信号质量较差的电路网络。
PCB
辐射仿真分析有助于掌握单板各部分的辐射情况，将关键芯片驱动端输出作为辐
射源放置到PCB上芯片实际管脚位置，进行辐射仿真，查看PCB单板辐射，对于
辐射较大处可以通过抑制手段来降低单板辐射。
基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法通过电磁场仿真
与电路仿真相结合从SI，PI和EMC这3个方面进行全流程的协同仿真，全面解决
PCB设计中潜在的电磁兼容问题。
PCB电磁兼容协同仿真同时提出一种新的设计
理念和解决问题的方法，即设计人员在进行PCB设计时要从SI，PI和EMC这3
个方面进行统筹兼顾，当遇到其中任何一方问题时，除关注本方面问题外，还需
从另外2个方面加以考虑，以便更快速有效地解决问题。
本文使用商用EDA软件搭建PCB电磁兼容协同仿真平台，如图2所示。
图中，Altium Designer是PCB设计工具，用来完成原理图和PCB设计，输出仿真用的PCB布局布线数据。
SIwave为精确的整板级有限元法全波电磁场仿真工具，能分
析任意复杂PCB结构的电磁特性；Designer为电路仿真工具，提供了多种仿真技术，可进行时域和频域的仿真分析。
利用电磁场仿真工具SIwave进行PCB的谐
振分析、PI分析并提取关键信号线的参数；利用电路仿真工具Designer结合电磁
场仿真工具提取的关键信号线参数模型以及芯片模型进行电路分析，输出关键芯
片驱动端辐射源作为干扰源返回到SIwave中进行PCB板辐射分析。
PCB单板辐射分析结果可以作为辐射源结合单机机箱结构进行单机结构辐射仿真分析。
图2 PCB 电磁兼容协同仿真平台
3、仿真实例
在某综合控制器主机板PCB设计中，使用PCB电磁兼容协同仿真方法从信号
完整性、电源完整性及电磁兼容性3个方面进行了全流程的协同仿真，本文只选
取其中较为典型的仿真工作进行介绍。
3．1电源平面阻抗分析
1．8V电源平面为核心DSP芯片的内核供电，噪声容限低，在可容忍5%的电
压波动的条件下1．8V电源平面的目标阻抗值为0．703Ω，仿真的频率范围0～250MHz，即在0～250MHz的频率范围内1．8V电源平面阻抗应低于0．703Ω，
初步仿真分析结果如图3中实线所示。
图3 仿真优化前后 1． 8 电源平面阻抗曲线
从图中可知，在139．3M～235．8MHz频率范围内1．8V电源平面阻抗高于
目标阻抗。
为了降低平面阻抗，在1．8V电源平面与地平面之间增加去耦电容，
添加电容优化后的平面阻抗仿真结果如图3所示，从图中可知在0～287．6MHz
频率范围内，1．8V电源平面的阻抗低于目标阻抗，满足DSP内核工作电压的要求。
使用同样的仿真分析方法将主机板PCB上3．3V和5V电源平面的阻抗值均
控制在目标阻抗值范围内。
3．2信号完整性分析
选取PCB上关键信号网络DSP的数据总线（D0～D31）进行仿真分析，DSP
数据总线分别与FPGA、总线驱动器245和锁存器373相连。
选取信号走线最长
与最短的数据总线D0与D31进行仿真分析，搭建仿真电路，芯片模型采用厂商
网站提供的IBIS模型，PCB信号线的模型为电磁场仿真提取的SPICE模型。
3．3PCB辐射分析
可以将关键信号线的信号完整性仿真输出作为辐射源添加到PCB上芯片的实
际管脚位置，进行单板辐射仿真，查看整板的辐射分布。
主机板PCB的单板辐射
仿真优化后辐射强度在0～300MHz频率范围内均有所降低，提高了电磁兼容性能。
从仿真可知，通过对主机板PCB进行电磁兼容协同仿真分析解决了一些潜在的信
号完整性和电源完整性问题，降低了PCB整板的电磁辐射。
在实际投产后，综合
控制器主机板工作稳定，未出现电磁兼容性问题。
4、结论
提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法，搭建协同仿真平台。
在实际工程应用中，将该方法应用于某运载火箭综合控制器主机板PCB的仿真设计中，从信号完整性、电源完整性及电磁兼容性3个方面对主机板PCB进行了全面仿真优化，有效解决了PCB设计中一些潜在的电磁兼容性问题，提高了主机板PCB的可靠性。
参考文献：
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[2]臧建莲.电子元器件产品数据库的技术特点分析[J].电子元件与材料，2014，33（3）：93-94.。