电源完整性之apsim－spi篇

在PCB设计中，高速电路的布局布线和质量分析无疑是工程师们讨论的焦点。尤其是如今的电路工作频率越来越高，例如一般的数字信号处理(DSP)电路板应用频率在150－200MHz是很常见的，CPU板在实际应用中达到500MHz以上已经不足为奇，在通信行业中Ghz电路的设计已经十分普及。所有这些PCB板的设计，往往是采用多层板技术来实现。在多层板设计中不可避免地为采用电源层的设计技术。而在电源层设计中，往往由于多种类的电源混合应用而使得设计变为十分复杂。

那么萦绕在PCB工程师中的难题有哪些？
PCB的层数如何定义？包括采用多少层？各个层的内容如何安排最合理？如应该有几层地，信号层和地层如何交替排列等等。

如何设计多种类的电源分块系统？如3.3V, 2.5V, 5V, 12V 等等。电源层的合理分割和共地问题是PCB是否稳定的一个十分重要的因素。

如何设计去耦电容？利用去耦电容来消除开关噪声是常用的手段，但如何确定其电容量？电容放置在什么位置？什么时候采用什么类型的电容等等。

如何消除地弹噪声？地弹噪声是如何影响和干扰有用信号的？
回路（Return Path）噪声如何消除？很多情况下，回路设计不合理是电路不工作的关键，而回路设计往往是工程师最觉得束手无策的工作。

如何合理设计电流的分配？尤其是地电层中电流的分配设计十分困难，而总电流在PCB板中的分配如果不均匀，会直接明显地影响PCB板的不稳定工作。

另外还有一些常见的如上冲，下冲，振铃(振荡)，时延，阻抗匹配，毛刺等等有关信号的奇变问题，但这些问题和上述问题是不可分割的。它们之间是因果关系。

总的来说，设计好一个高质量的高速PCB板，应该从信号完整性(SI---Signal Integrity)和电源完整性(PI---Power Integrity )两个方面来考虑。尽管比较直接的结果是从信号完整性上表现出来的，但究其成因，我们绝不能忽略了电源完整性的设计。因为电源完整性直接影响最终PCB板的信号完整性。

有一个十分大的误区存在于PCB工程师中间，尤其是那些曾经使用传统EDA工具来进行高速PCB设计的工程师。有很多工程师曾经问过我们：“为什么用EDA具的SI信号完整性工具分析出来的结果和我们用仪器实际测试的结果不一致，而且往往是分析的结果比较理想？”其实这个问题很简单。 引起这个问题的原因是：一方面是EDA厂商的技术人员没有解释清楚；另一方面是PCB设计人员的对仿真结果的理解问题。我们知道，目前中国市场上使用比较多的EDA工具主要是SI（信号完整性）分析工具，SI 是在不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行的分析，而且大多数连模拟器件也不考虑（假定是理想的），可想而知，这样的分析结果和实际结果肯定是有误差的。因为大多数情况下， PCB板中电源完整性的影响比SI更加严重。