高性能PCB的SI/PI/EMC设计（2）

数模混合电路板的PI和SI问题

一块六层PCB板，其工作频带在1G以下，电源平面上分有2.5v、3.3v和5v三个电源分割，但具有完整的地平面。首先在SIwave中作谐振场分析以便了解电源/地平面在工作频带内的整体特性，发现在工作频带内(1G以下)会发生多个谐振现象，有14个谐振频点，同时在SIwave 中可以观察PCB在各谐振频点上不同的电压。由于工作频带内的谐振不仅会带来如电源/地噪声、SSN等严重的电源完整性问题，而且对SI同样会产 生严重影响。本例主要考虑通过在相关位置(如谐振场峰值/谷值位置处)加去耦电容来抑制谐振，从而间接改善SI性能。在SIwave中直接模拟该过程，根据前面得到的谐振分析结果直接仿真去耦电容的影响，为抑制这14个谐振点共加了26个去耦电容，仿真显示加去耦电容后最低谐振频点变为1.0133G，在工作带宽以外。为了了解对SI的影响，选取了一个跨电源分割的信号网络做S参数扫频分析，比较加去耦电容前后的S参数变化曲线，发现加去耦电容之后，1G以下信号传输特性明显得到了改善，尤其在700M左右插入损耗和回波损耗有8dB～9dB的改善。

PCB EMI问题仿真

一块八层PCB，其中黄色走线为PCB上的时钟信号线，每根时钟线都与一激励源相连，为了了解该PCB的电磁辐射特性，首先在SIwave中设置扫频分析可以清楚观察到PCB板在各频点上的电压波动情况。

随后，在SIwave中计算PCB在空间的EMI辐射情况。以1G为例，图8为PCB元件正面观察到的电压波动情况，通过SIwave和 Ansoft HFSS之间的动态链接，能够计算PCB板在三维空间任意位置的电磁场辐射数据，从而实现虚拟EMI测试。还给出了距离PCB约500mil处的电场分布云图，对比空间电场分布云图与PCB上电压波动云图可以发现：PCB上电压波峰/波谷对应的近区辐射场数值大，这也与实际情况吻合。同时根据需要可在 SIwave中直接画出各个频点上PCB板在远区的辐射场分布。

高速PCB板级设计无论SI还是PI，都是十分具有挑战性的，而由此产生的EMI问题则更为复杂。采用对虚拟原型进行仿真的方法替代反复试验的设计方法来优化电路板的设计，可以有效缩短设计周期并且节约设计成本。