ANSYS 高速PCB設(shè)計(jì)解決方案

2016-11-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一、高速PCB板級(jí)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
在PCB設(shè)計(jì)中,高速電路的布局布線和質(zhì)量分析無(wú)疑是工程師們討論的焦點(diǎn)。尤其是如今的電路工作頻率越來(lái)越高,例如一般的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)電路板應(yīng)用頻率在150-200MHz是很常見的,CPU板在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到500MHz以上已經(jīng)不足為奇,在通信行業(yè)中GHz電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)十分普及。所有這些PCB板的設(shè)計(jì),往往是采用多層板技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在多層板設(shè)計(jì)中不可避免地為采用電源層的設(shè)計(jì)技術(shù)。而在電源層設(shè)計(jì)中,往往由于多種類的電源混合應(yīng)用而使得設(shè)計(jì)變?yōu)槭謴?fù)雜。
基于上述原因,目前的高速PCB板級(jí)設(shè)計(jì)主要面臨以下挑戰(zhàn):
1. 如何設(shè)計(jì)多種類的電源分塊系統(tǒng)?電源層的合理分割和共地問(wèn)題是PCB是否穩(wěn)定的一個(gè)十分重要的因素;
2. 如何設(shè)計(jì)去耦電容?利用去耦電容來(lái)消除開關(guān)噪聲是常用的手段,但如何確定其電容量?電容放置在什么位置?什么時(shí)候采用什么類型的電容等等;
3. 如何消除地彈噪聲?地彈噪聲是如何影響和干擾有用信號(hào)的;
4. 回路(Return Path)噪聲如何消除?很多情況下,回路設(shè)計(jì)不合理是電路不工作的關(guān)鍵,而回路設(shè)計(jì)往往是工程師最覺得束手無(wú)策的工作;
5. 如何合理設(shè)計(jì)電流的分配?尤其是地電層中電流的分配設(shè)計(jì)十分困難,而總電流在PCB板中的分配如果不均勻,會(huì)直接明顯地影響PCB板的不穩(wěn)定工作。
另外高速PCB板設(shè)計(jì)中還有一些常見的如上沖,下沖,振鈴(振蕩),時(shí)延,阻抗匹配,毛刺等等有關(guān)信號(hào)的奇變問(wèn)題,但這些問(wèn)題和上述問(wèn)題是不可分割的。它們之間是因果關(guān)系。
二、 ANSYS的高速PCB板級(jí)解決方案
基于上述挑戰(zhàn),結(jié)合ANSYS在解決高速PCB板級(jí)設(shè)計(jì)方面的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì),ANSYS給出的高速PCB板級(jí)設(shè)計(jì)的解決方案如下:

此平臺(tái)包括PCB專用板級(jí)分析工具SIwave,全波三維電磁場(chǎng)工具HFSS,任意結(jié)構(gòu)三維等效RLC參數(shù)自動(dòng)提取工作Q3D及模型導(dǎo)入接口軟件Alinks,可以解決各種高速PCB板級(jí)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。該解決方案的具體功能特點(diǎn)如下:
1.采用三維全波電磁場(chǎng)方法,仿真結(jié)果更精確;
2.可以在一個(gè)界面中完成PCB的電源完整性和信號(hào)完整性分析;
3.可以自動(dòng)抽取各種電路結(jié)構(gòu)的RLC等效模型,生成相應(yīng)的SPICE電路;
4.支持各種主流CAD數(shù)據(jù);
5.可以將電磁場(chǎng)和電路聯(lián)合起來(lái),完成ANSYS高效的場(chǎng)路協(xié)同分析。
三、典型應(yīng)用
1. SIwave:PCB板級(jí)信號(hào)完整性/功率傳輸全波分析
SIwave采用三維全波電磁場(chǎng)方法分析整板級(jí)PCB或整個(gè)封裝的全波效應(yīng),可快速仿真整個(gè)電源和地結(jié)構(gòu)的諧振頻率;板上放置去耦電容的作用及布局;改變信號(hào)層或分開供電板引入的阻抗不連續(xù)性;信號(hào)線與電源/地之間的噪聲耦合;傳輸延遲、過(guò)沖和下沖、反射和振鈴等時(shí)域效應(yīng);本征模和S傳輸參數(shù)等頻域現(xiàn)象。

2. HFSS:高速PCB整板電磁場(chǎng)分析

HFSS依據(jù)其獨(dú)有的模式→節(jié)點(diǎn)和超寬帶插值掃頻專有技術(shù),利用有限元(FEM)快速精確求解整板級(jí)PCB或整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的所有電磁特性,真正全面考慮(準(zhǔn))靜態(tài)仿真中無(wú)法分析的由失配、禍合、輻射及介質(zhì)損耗等引起的電磁場(chǎng)效應(yīng),從而得到精確的頻域高頻特性(如S參數(shù)等) ,并生成全波SPCIE模型以支持高頻/高速/高密度PCB應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的Spice寬帶電路仿真設(shè)計(jì)。

3. Q3D:自動(dòng)抽取任意三維結(jié)構(gòu)RLC矩陣
通過(guò)三維電磁場(chǎng)專有求解技術(shù), 提取任意二/三維結(jié)構(gòu)的IC封裝、連接器、過(guò)孔、信號(hào)線、復(fù)雜的電源/地結(jié)構(gòu)以及各種分立部件的精確RLC寄生參數(shù),自動(dòng)生成Spice等效電路并可在內(nèi)置的Spice仿真器中進(jìn)行電路仿真,得到精確的時(shí)域特性波形。

4. Designer:電路/系統(tǒng)/平面電磁場(chǎng)協(xié)同仿真
Designer集成了電路、系統(tǒng)及三維平面電磁場(chǎng)可直接仿真分析PCB的電磁特性, 并且通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用HFSS對(duì)任意三維器件(如無(wú)源部件、連接器等〉進(jìn)行協(xié)同仿真。將電磁場(chǎng)問(wèn)題置于整個(gè)電路或系統(tǒng)中來(lái)進(jìn)行全面精確設(shè)計(jì). 以研究設(shè)計(jì)性能的變化對(duì)相關(guān)電路和系統(tǒng)影響。