高速高密度PCB設(shè)計(jì)、電源完整性的新挑戰(zhàn)

面對(duì)高速、高密度PCB設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員需要改變的不僅是工具，還有設(shè)計(jì)方法、理念和流程。

隨著電子產(chǎn)品功能的日益復(fù)雜和性能的提高，印刷電路板的密度及其相關(guān)元件的頻率不斷提高，工程師面臨著高速、高密度PCB設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn) 也在增加。

隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，制造商在產(chǎn)品上市時(shí)間上面臨著越來(lái)越大的壓力。 如何利用先進(jìn)的EDA工具和優(yōu)化方法和流程，高質(zhì)量、高效率地完成設(shè)計(jì)，成為系統(tǒng)制造商和設(shè)計(jì)工程師不得不面對(duì)的問(wèn)題。

熱點(diǎn)：從信號(hào)完整性轉(zhuǎn)向電源完整性

說(shuō)到高速設(shè)計(jì)，人們首先想到的是信號(hào)完整性。 信號(hào)完整性主要是指信號(hào)線上信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。 當(dāng)電路中的信號(hào)能夠按要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)接收芯片引腳時(shí)，電路具有良好的信號(hào)完整性。 當(dāng)信號(hào)無(wú)法正常響應(yīng)或信號(hào)質(zhì)量無(wú)法使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。 信號(hào)完整性主要表現(xiàn)在延遲、反射、串?dāng)_、定時(shí)、振蕩等方面。 一般認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。 隨著系統(tǒng)和設(shè)備頻率的不斷增加，信號(hào)完整性問(wèn)題將變得更加突出。 元器件和PCB板的參數(shù)、PCB板上元器件的布局、高速信號(hào)的布線等問(wèn)題都會(huì)造成信號(hào)完整性問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至徹底失效。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，信號(hào)完整性技術(shù)的理論和分析方法已經(jīng)比較成熟。 至于信號(hào)完整性，陳蘭冰認(rèn)為，信號(hào)完整性不是某人的問(wèn)題。 它涉及到設(shè)計(jì)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)。 不僅系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、硬件工程師、PCB工程師要考慮，在制造中也不能忽視。 解決信號(hào)完整性問(wèn)題必須使用先進(jìn)的仿真工具，比如CADence的SPECTRAQuest，可以在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行建模和仿真，從而形成約束規(guī)則來(lái)指導(dǎo)后期的布局布線 并提高設(shè)計(jì)效率。 隨著今年6月Cadence針對(duì)千兆赫信號(hào)的仿真器MGH的推出，這是業(yè)界首款能夠在幾秒內(nèi)完成數(shù)萬(wàn)BIT千兆赫信號(hào)的仿真器，信號(hào)完整性技術(shù)得到了提升。

與信號(hào)完整性相比，電源完整性是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，被認(rèn)為是高速高密度PCB設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)之一。 電源完整性是指在高速系統(tǒng)中，PDS供電系統(tǒng)在不同頻率下具有不同的阻抗特性，使得電路板上各處的電源層與PCB上的地層之間的電壓不同，導(dǎo)致電源不連續(xù)。 電源、電源噪聲、芯片無(wú)法正常工作； 同時(shí)，由于高頻輻射，電源完整性問(wèn)題也會(huì)帶來(lái)EMC/EMI問(wèn)題。 如果電源完整性問(wèn)題不能得到很好的解決，將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，電源完整性問(wèn)題可以通過(guò)兩種方式解決：優(yōu)化電路板的堆疊設(shè)計(jì)和布局，以及增加去耦電容。 當(dāng)系統(tǒng)頻率小于300~400MHz時(shí)，去耦電容可以抑制頻率、濾波和阻抗控制。 在適當(dāng)?shù)奈恢梅胖煤线m的去耦電容可以幫助減少系統(tǒng)電源完整性的問(wèn)題。 但當(dāng)系統(tǒng)頻率較高時(shí)，去耦電容作用不大。 在這種情況下，只能通過(guò)優(yōu)化電路板的層間距設(shè)計(jì)、布局布線或其他方法來(lái)降低電源和地噪聲（如適當(dāng)匹配以減少電源傳輸?shù)姆瓷鋯?wèn)題）來(lái)解決電源完整性問(wèn)題。 系統(tǒng)），同時(shí)抑制 EMC/EMI。

對(duì)于信號(hào)完整性和功率完整性的關(guān)系，陳蘭冰認(rèn)為：“信號(hào)完整性是時(shí)域的概念，比較容易理解，而功率完整性是頻域的概念，比信號(hào)完整性更難理解，但 電源完整性在某些方面與信號(hào)完整性有相似之處，電源完整性對(duì)工程師的技能要求較高，對(duì)高速設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)，不僅涉及板級(jí)，還涉及芯片級(jí)和封裝級(jí)，建議從事高速設(shè)計(jì)的工程師 高速電路板設(shè)計(jì)應(yīng)以信號(hào)完整性的解決方案為基礎(chǔ)來(lái)解決電源的完整性。”據(jù)悉，Cadence的電源完整性工具PI已推向市場(chǎng)，并已成功應(yīng)用于多家客戶的設(shè)計(jì)中。