信号完整性和电磁兼容性问题

一、购置的必要性
      随着电子产品的复杂性的增加,包括工作频率的不断提高,小型化程度的增加,混合电路的应用等,使得产品的信号完整性和电磁兼容方面的问题越来越突出。
      电子产品设计在我们设计所占据了比较重的位置。虽然多年来我们的技术工程师在产品设计方面摸索出了十分丰富有效的实践经验,但是近年来,随着电子技术的飞速发展和设计要求的不断提高,我们所的电子产品,在设计与调试中的难度也在不断增大,尤其表现在问题的定位、诊断与解决方面,比如因信号完整性所引发的问题越来越多,产品研发过程中用于信号完整性调试与测试的时间延长,大量的占用了我们工程师的时间,而效果却不令人满意。
      在电磁兼容性问题面前,由于缺少相应的调试设备,再加上工程师普遍对电磁兼容的设计和调试没有成熟和丰富的经验,所以,目前我们在这些方面存在比较大的困难,基本上是比较盲目的凭经验在进行设计和调试。随着产品的复杂度增加,问题将越来越明显。
      现在,我们所的产品从数字电路到模拟电路,从低频电路到高频电路都有,大规模集成电路和高速CPU,ASIC等高速器件也得到了广泛的应用。在这些综合技术的应用中,我们已经十分明显的体会到,许多环节的设计已经无法依赖于我们过去的经验了,尤其是在产品的电磁兼容性和信号完整性问题的测试、诊断、分析、调试等方面更是如此。为了提高现有产品的质量、可靠性、稳定性,同时为了满足新产品的设计需求,引进先进的设计和测试工具,改善工程师的设计环境具有十分的必要性和迫切性。通过同行业中的广泛的调研,并根据我所目前的设计和测试手段的现状,我们认为:在信号完整性和电磁兼容性方面配备必要的设计分析软件和相应的检测设备是解决当前问题的关键。

二、可行性分析
      现代电子产品的设计概念是“尽早排除可能的隐患,第一次就把工作做好”。信号完整性和电磁兼容性工作已经逐步从事后检测处理发展到预先分析评估、预先检验、预先设计,即在方案设计阶段就有针对性的开展预测分析工作,把过去用于研制后期试验测量和处理以及返工补救的费用,安排到加强事前设计和预测、检验中来。但是如何才能实现这一目标呢?

一般来说,一个产品的研发包括以下几个阶段:
¨   设计前期:建立基本构想,确定系统的性能指标,进行方案的总体设计;
¨   设计期:进入方案实施阶段,包括原理图设计与PCB板图设计;
¨   调试期:进行样机调试,发现问题并对设计进行修改;
¨   验证期:进行各种检验测试认证工作,以确保系统达到设计要求。
¨   系统联调期:确保系统与系统能正常协同工作。

目前,市场上用于解决信号完整性和电磁兼容性问题的工具主要集中在以下几个方面:
1.  设计早期阶段的软件仿真分析,尽早进行信号完整性和EMC仿真设计,并排除潜在发生的电磁辐射问题。
2.  设计中期的检测调试,包括信号完整性和电磁兼容性的故障的诊断、定位和分析。
3.  设计后期的预测试,对产品进行摸底试验,掌握产品的总体性能,保证顺利通过标准测试。
      总之,根据自身情况并结合产品的特点,在从开发期到最终定型以及到系统联调等的不同阶段采取适当的工具、方法及设备,将信号完整性和电磁兼容设计容入整个设计过程就会取得事半功倍的效果。

三、解决方案  
第一项:Apsim高质量PCB仿真分析软件
      随着系统主频的提高,布线密度的增加以及大量数模混合电路的应用,对PCB设计的要求越来越高。高速数字和模拟电路的设计需要对信号失真给予特别的关注。各种噪声的存在使我们的产品原理设计往往与实际测试的结果有着不同程度的差异,带来信号不完整性、电磁兼容性等问题。这些噪声有:串扰噪声、振荡噪声、回流噪声、辐射噪声、反射噪声、传输时延、地/电层噪声等。我们只有在设计仿真阶段尽可能多的考虑这些因素,才可以保证设计功能的正确性。
      Apsim软件针对上述PCB及系统设计特点,推出了全套的SI(信号完整性)、EMC/EMI(电磁兼容性)、PI(电源完整性)仿真工具,并与常用CAD系统紧密结合,适用于数字、模拟、数模混合电路的仿真。它可以在PCB板布局布线完成后,PCB板拿去加工前对PCB板进行信号完整性,电源完整性及电磁兼容性分析,发现问题可以及时修改,避免重复制板所造成的时间和费用的浪费,从而可以缩短产品研制周期、节省研制经费。

配置内容:

序号

型号

描述

数量

1

ASPICE

电磁场仿真工具,用于电路仿真、传输线信号完整性仿真等。可以显示信号波形,并具有丰富的分析功能。如灵敏度分析、参数扫描、频谱分析等。

1

2

RLGC

寄生参数提取工具,它用来提取PCB板中布线后产生的各种寄生参数。如电阻R、电导G、电感L和电容C。这些参数将APSICE配合使用,进行信号变形仿真。用户也可根据寄生参数来判断PCB布线的优劣。

1

3

LIF

各种CAD及仿真工具集成环境。使用户在同一环境观测分析PCB板及其信号情况和磁场情况。

1

4

SLS/REDUCE

超级线性求解器和模型阶数减少

1

5

SPAR

可将随频率变化的N端口参数数据转换为ASPICE的宏模型,自动产生S参数。

1

6

SPI-I BASE

信号完整性与电源完整性综合分析工具的用户界面

1

7

IBIS_TRANSLATOR

IBIS模型转化为SPICE模型

1

8

XX2AAIF

XXApsim的接口

1

APSIM软件与CADENCE仿真软件的比较:

设计需求

CADENCE仿真软件

APSIM软件

信号完整性分析

1.       只能分析数字电路中的部分噪声和时延,无法做模拟电路的信号完整性分析,也无法做混合电路的信号完整性分析。

2.       只能将被分析的PCB板中的地电平面理想化,相当于简化了模型的建立,实际上没有考虑地平面的缺陷的严重影响,仿真结果精度会受很大的影响。

1.       分析数字电路、模拟电路、数模混合电路中的各种噪声。

2.       地电平面及回流路径按实际情况建立模型,使仿真结果与实测结果更接近。

3.       在信号完整性分析中包含各种形式的分析报告:如眼图分析图、蒙特卡罗分析、频谱FFT分析等

 

电磁兼容分析功能

没有此项分析功能,或在开发过程中

性能优越PCB板电磁兼容EMC/EMI分析包括:单线,组线,和整板的辐射分析,以及电磁场分布分析等

电源完整性分析功能

分析种类非常有限,功能也不强

很强的PCB板的电源稳定性分析

¨      地弹噪声分析

¨      开关噪声分析

¨      回流分析

¨      PCB板电流分配分析

¨      Delta-I 地弹噪声分析

信号完整性、电源完整性与电磁兼容性一体化仿真功能

没有此功能

目前在业界是唯一一家有此功能的产品。可以在一个软件中完成信号完整性、电源完整性与电磁兼容性仿真

接口

与其他EDA公司之间的数据往往不能兼容。

接口种类多,与业内主要的EDA公司都有接口,可以方便的导入数据

要点:

只有在设计仿真中同时考虑到各种噪声因素影响后进行的仿真结果,对我们实际的产品设计才有指导意义,才能真正保证设计功能的正确性。

SOLUTION
解决方案

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