基于ANSYS SIwave的PCB仿真優化

焦瀚霖

（萍鄉學院，江西 萍鄉 337055）

0 引 言

目前PCB技術已經非常成熟，幾乎所有電子產品中都有PCB電路板的應用。PCB設計之初應該充分考慮元器件的選取和布局、PCB所處的環境以及耦合現象等因素，為了盡量縮短設計時間，節約設計成本，本文介紹了如何基于NASYS SIwave進行PCB仿真優化。

1 PCB概述

1936年，奧地利發明家Paul Eisler根據Charles Ducas最初申請專利的電路設計，開發了第一套用于操作無線電系統的印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）。PCB技術很快被美國軍方采用，并在第二次世界大戰期間用于近程熔斷器的制造。此項技術于1948年向公眾發布，印刷電路板開始發展，目前印刷電路板在人們的日常生活中已經無處不在。PCB設計以電路原理圖為根據，負責實現設計者需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要考慮外部連接的布局、內部電子元件的優化布局、金屬連線和通孔的優化布局、電磁保護以及熱耗散等因素。優秀的版圖設計可以節約生產成本，簡單版圖設計可以手工實現，復雜的版圖設計則需要借助計算機輔助工具來實現。

2 PCB設計與優化

2.1 PCB設計過程

2.1.1 準備工作

設計前需考慮PCB分類（結構、空導通狀態、成品軟硬區以及板材類型等）、對外連接方式（直接焊接或插接等）、元器件安裝方式（表面貼裝或通孔插裝等）以及分析原理圖（大電流、大電壓、高頻電路、元器件的形狀、尺寸、引線以及附加材料等）。由于本文所注PCB需要的元器件較多且不需更換，因此采用了8層高頻板，元件安裝方式為表面貼裝。

2.1.2 布線設計

布線設計時需考慮分層布線（頂層、頂層絲印層、底層、底層絲印層以及阻焊層等）、元件面布設要求（導線盡可能少、短且不交叉，最好不要走直線）、印制導線設計要求以及焊盤設計要求（孔和焊盤的設計、靈活掌握焊盤形狀與可靠性）[1]。本文的PCB由Candence軟件完成元器件的擺放與布線。

2.2 PCB優化實踐

PCB設計的主要目的是將各個芯片組合在一起以實現特定的功能，從一定意義上來說，PCB是整個系統的功能承載者。為了實現芯片信號的直接傳輸，通過PCB將芯片信號從一個新的芯片直接傳輸到另一個新的芯片。由于PCB本身就是一個芯片信號直接傳輸的主要渠道，因此PCB設計效果的好壞會直接影響芯片信號傳送質量和傳輸性能。此外，PCB芯片設計還可以控制EMI/EMC，將外界電磁能量對PCB的干擾控制在可接受的范圍內[2]。當PCB系統正常工作時，系統的各個組成部分都需要穩定的供電，變化的供電信號和電源會直接引起系統的電場和磁場變化，形成電磁輻射。隨著整個通信系統結構復雜程度的不斷增加和移動電源信號輸出輸入功率的不斷下降，SI/PI/EMI公司現在所面臨的技術挑戰也越來越大。基于此，利用ANSYS實現對PCB的優化設計，針對PCB耦合或諧振等進行全方面的仿真分析[3]。

2.2.1 諧振分析與解決

對這個8層板進仿真分析，圖1為8層DDR4的PCB設計圖。

圖1 內存條（DDR4）8層板PCB設計

選擇兩平面層（L2與L7），計算每個模式對應的諧振分布情況，優化前諧振仿真圖和優化后諧振仿真圖如圖2和圖3所示。

圖2 優化前諧振仿真圖

圖3 優化后諧振仿真圖

每個顏色代表不同電壓，顏色變化幅度越大，則電壓的擺幅也越大。從圖2可以清楚的看到右上角的顏色幅度變化較大，即電壓的擺幅較大。此時用SIwave添加一個去耦電容，改變這一區域的兩個諧振頻率，選擇與PCB上兩個諧振效應頻率相近的去耦電容，然后將其放置在諧振效應頻率改變幅度最高的兩個位置之間，這樣就能直接取得較好的高頻去耦電容效果[4,5]。分別放置兩個電容后，重新運行諧振模式的分析，由圖3可以清楚看出在放置兩個去耦電容后，右上角的電壓擺動幅度變得非常微小[6]。

2.2.2 阻抗和諧振的關系

仿真得到的頻率-阻抗值曲線如圖4所示。

圖4 頻率-阻抗值曲線

從圖4可以看出每個尖峰點所對應的頻率和阻抗值。為了更好地比較阻抗與諧振之間的相互關系，返回SIwave模擬諧振，并且在不限制計算模型參數的情況下，設定一個仿真頻率上限為2 GHz。各計算模式下得到的諧振頻率點如圖5所示。

由圖5可知，阻抗強度變化曲線中出現的尖峰頻率點總是包含在諧振仿真計算出的工作頻率點中[7]。

圖5 諧振頻率點

2.2.3 傳導干擾的分析和電壓噪聲的測量

傳導干擾分析是在給PCB板上的某個信號點添加電激勵之后，對該電位點網絡上激發出的電場變化分布進行分析。觀察上述各種諧振模式下的諧振信號分布情況，選擇一個諧振模式擺幅較大的區域，并對其信號網絡進行干擾分析。頻率-電壓幅度曲線如圖6所示。

圖6 頻率-電壓幅度曲線

從圖6可以看出，頻率分別在0.32 GHz、0.96 GHz、1.62 GHz有明顯的3處尖峰。此時再觀察0.32 GHz、0.96 GHz、1.62 GHz頻率下PCB板上的電壓分布情況，如圖7、圖8以及圖9所示。

圖7 0.32 GHz時PCB板電場分布情況

圖8 0.96 GHz時PCB板電場分布情況

圖9 1.62 GHz時PCB板電場分布情況

此時，通過觀察諧振分析結果可以看出，上述幾個尖峰信號點的頻率在諧振分析的結果中都已經可以準確尋找出與其相同或對應的一個頻點[8,9]。

通過對傳導性干擾的分析和對電壓檢測探針進行的仿真和測試，可以看出在重要的信號網絡中添加激勵后整個PCB上的電場分布狀態。如果在實際使用的系統中，頻點附近存在著與其相關的問題，則可以考慮相應的方法和措施來對其進行優化[10]。

3 結 論

綜上所述，通過分析PCB板間諧振產生原理，表明板級諧振對信號完整性的影響巨大，突出對信號完整性仿真預估的必要性。同時以某DDR48層PCB板為例，詳細分析其諧振仿真的過程，諧振仿真可為PCB優化設計提供理論依據。PCB設計優化在產品設計中十分重要，效果優良的PCB設計可以有效抑制干擾，使電子系統具有更強的抗干擾能力，確保系統運行安全可靠。