高速PCB系统设计与仿真分析实例

本文主要探讨基于EDA设计工具PADS2004的高速PCB系统设计与仿真分析，选择设计对象采用Motorola 公司的Dragonball系列芯片中的MC9328MX1，其CPU时钟速度200MHz；SDRAM采用了SUMSUNG公司的同步 K4S281632E，时钟速度100MHz以上。由于地址总线和数据总线的布线密度比较大，速度较高，系统对信号完整性要求较高。

而PADS2004设计软件，它将原理图设计、PCB Layout和高速仿真分析集成于一体，可以解决在PCB设计中存在的信号完整性、串扰等问题，大大提高了设计成功率。

    一、系统设计

1、电源分配

　　高速系统板设计中电源层的网络分配很重要。在PCB布线方面，PCB板首先要考虑电源的完整性，它直接影响最终PCB板的信号完整性。很多情况下，影响信号畸变的主要原因是电源系统，例如去耦电容设计不好，地层设计不合理，电流分配不均匀，地弹噪声太大，回路影响很严重等。

　　由于电源层是通过整个金属层来分配电源，其电源阻抗很小，所以电源噪声也比总线式小得多，因此设计时将电源单独作为一层。

　　为了消除电源噪声，在电路板的电源输入上放置一个47uF电容，用来消除低频噪声。在板子上的每个有源器件的电源引脚和接地引脚上放置一个0.1uF高频滤波电容来滤除线路高频噪声。滤波电容应尽量接近电源引脚，使电源引脚到滤波电容的走线最短来取得最好的滤波效果。

2、 时钟设计

　　时钟设计在PCB设计中是很重要的一部分，通过规划时钟线，使得时钟线的连线远离其它的信号线，时钟在跟地层相邻的信号层上走，走线尽量在一层走，不要穿越多层。时钟线和其它数据、地址线之间的距离应该满足3W原则(绕线的间距要两倍于线宽)。时钟连线尽量短，并且加上地线保护。为了保证时钟信号的完整性，时钟的输出串接一个33欧姆左右的端接电阻。

　　3、关键信号与非关键信号

　　在仿真分析前，先对系统中的信号进行划分，划分为关键信号与非关键信号。划分的原则主要是根据器件驱动沿速率快慢、工作频率的高低与信号线长度等条件进行划分，当然还应依实际的设计而定。

　　在本系统中，关键信号有：时钟信号；CPU与SDRAM、CPU与FLASH等存储器的数据线、地址线以及读写等控制信号线。其中最关键的是SDRAM与 MC9328MX1之间的连接走线，它们的信号完整性好坏直接影响着MC9328MX1能否将数据正确存取于SDRAM 中。

　 二、仿真分析

　　1、 LineSim仿真

　　在原理图完成之后即可进行布线前信号完整性仿真，在这里使用HyperLynx的布局前分析工具LineSim完成布线前仿真。LineSim用在布线设计以前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线拓扑结构、选择元器件的速率、诊断并避免信号完整性、电磁辐射等问题。

　　LineSim进行布线前仿真是很方便的，将厂商提供的IBIS模型添加到相应的模型库中，在LineSim原理图中将驱动端，接受端以及它们之间的连线方式设置好，就可以进行仿真了。LineSim还提供了对仿真结果一些建议，如连线的拓扑结构、连线的长度、端接电阻和电容的数值是否匹配等。

通过在布线之前信号完整性分析对布局进行指导，对逻辑器件的类型进行选择，决定哪些信号需要端接，以及采用何种端接方法及端接电阻的阻值大小。图1是在工作频率为100 MHz时数据线D0添加33欧姆的并联电阻端接前与端接后信号完整性分析的不同结果，可以看出在端接后明显消除了上冲与下冲，且振荡也大幅度地减小了

 

   

　　图1 数据线D0仿真波形

　　2、BoardSim仿真

　　在布线前信号完整性仿真指导下完成布局布线之后，还可能存在一些信号完整性问题，如相邻线网之间的串扰、EMC等，所以需要进行布线后的信号完整性仿真，对完成布线后的设计进行进一步的分析。在这里使用HyperLynx的布局后分析工具BoardSim完成信号完整性分析。BoardSim用于布线以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。

　　对于某一网络，像LineSim一样，BoardSim可以进行单独仿真，BoardSim还可以进行串扰仿真，相互耦合干扰的网络仿真结束后显示为白色。通过进行串扰仿真，可以很方便的找出相互干扰的网络，通过改变网络的间距或者是减小介质层厚度可以减小串扰。

　　对于整个pcb板，BoardSim可以进行快速仿真和详细仿真，快速仿真，可以高效地分析PCB板，查找信号完整性和EMC等问题；详细仿真提供了更具体的报告信息，针对一个网络上的每个接收端IC的Pin、详细的过冲、最小/最大IC Pin的延迟和极限域值等。仿真结果以文本型式输出，这是一个很完整的分析报告，可以通过关键字“find warning”和“find warning(severe)”来找警告位置，该位置就是可能会出现信号完整性或者是EMC问题的地方。

　　根据布线后信号完整性仿真的仿真结果，通过改变端接方式与具体阻值即在驱动端添加不同阻值的串联端接、在负载端添加不同阻值的并联端接、调整端接的位置、修改走线的拓扑结构、调整板层间的介质厚度等方法进行反复的修改与仿真验证，将各种信号完整性问题限制在可接受的范围之内。

图2为数据线D0产生的电磁辐射仿真图，图中曲线1与曲线2分别代表欧洲以及美国的规定辐射容限，垂直条为数据线D0在不同频率下产生的辐射分贝值，从图中可以看出，数据线Do产生的辐射均低于欧洲和美国所规定的辐射容限，符合要求。