基于ANSYS SIwave的PCB仿真优化

焦瀚霖

（萍乡学院，江西 萍乡 337055）

0 引 言

目前PCB技术已经非常成熟，几乎所有电子产品中都有PCB电路板的应用。PCB设计之初应该充分考虑元器件的选取和布局、PCB所处的环境以及耦合现象等因素，为了尽量缩短设计时间，节约设计成本，本文介绍了如何基于NASYS SIwave进行PCB仿真优化。

1 PCB概述

1936年，奥地利发明家Paul Eisler根据Charles Ducas最初申请专利的电路设计，开发了第一套用于操作无线电系统的印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）。PCB技术很快被美国军方采用，并在第二次世界大战期间用于近程熔断器的制造。此项技术于1948年向公众发布，印刷电路板开始发展，目前印刷电路板在人们的日常生活中已经无处不在。PCB设计以电路原理图为根据，负责实现设计者需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护以及热耗散等因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，简单版图设计可以手工实现，复杂的版图设计则需要借助计算机辅助工具来实现。

2 PCB设计与优化

2.1 PCB设计过程

2.1.1 准备工作

设计前需考虑PCB分类（结构、空导通状态、成品软硬区以及板材类型等）、对外连接方式（直接焊接或插接等）、元器件安装方式（表面贴装或通孔插装等）以及分析原理图（大电流、大电压、高频电路、元器件的形状、尺寸、引线以及附加材料等）。由于本文所注PCB需要的元器件较多且不需更换，因此采用了8层高频板，元件安装方式为表面贴装。

2.1.2 布线设计

布线设计时需考虑分层布线（顶层、顶层丝印层、底层、底层丝印层以及阻焊层等）、元件面布设要求（导线尽可能少、短且不交叉，最好不要走直线）、印制导线设计要求以及焊盘设计要求（孔和焊盘的设计、灵活掌握焊盘形状与可靠性）[1]。本文的PCB由Candence软件完成元器件的摆放与布线。

2.2 PCB优化实践

PCB设计的主要目的是将各个芯片组合在一起以实现特定的功能，从一定意义上来说，PCB是整个系统的功能承载者。为了实现芯片信号的直接传输，通过PCB将芯片信号从一个新的芯片直接传输到另一个新的芯片。由于PCB本身就是一个芯片信号直接传输的主要渠道，因此PCB设计效果的好坏会直接影响芯片信号传送质量和传输性能。此外，PCB芯片设计还可以控制EMI/EMC，将外界电磁能量对PCB的干扰控制在可接受的范围内[2]。当PCB系统正常工作时，系统的各个组成部分都需要稳定的供电，变化的供电信号和电源会直接引起系统的电场和磁场变化，形成电磁辐射。随着整个通信系统结构复杂程度的不断增加和移动电源信号输出输入功率的不断下降，SI/PI/EMI公司现在所面临的技术挑战也越来越大。基于此，利用ANSYS实现对PCB的优化设计，针对PCB耦合或谐振等进行全方面的仿真分析[3]。

2.2.1 谐振分析与解决

对这个8层板进仿真分析，图1为8层DDR4的PCB设计图。

图1 内存条（DDR4）8层板PCB设计

选择两平面层（L2与L7），计算每个模式对应的谐振分布情况，优化前谐振仿真图和优化后谐振仿真图如图2和图3所示。

图2 优化前谐振仿真图

图3 优化后谐振仿真图

每个颜色代表不同电压，颜色变化幅度越大，则电压的摆幅也越大。从图2可以清楚的看到右上角的颜色幅度变化较大，即电压的摆幅较大。此时用SIwave添加一个去耦电容，改变这一区域的两个谐振频率，选择与PCB上两个谐振效应频率相近的去耦电容，然后将其放置在谐振效应频率改变幅度最高的两个位置之间，这样就能直接取得较好的高频去耦电容效果[4,5]。分别放置两个电容后，重新运行谐振模式的分析，由图3可以清楚看出在放置两个去耦电容后，右上角的电压摆动幅度变得非常微小[6]。

2.2.2 阻抗和谐振的关系

仿真得到的频率-阻抗值曲线如图4所示。

图4 频率-阻抗值曲线

从图4可以看出每个尖峰点所对应的频率和阻抗值。为了更好地比较阻抗与谐振之间的相互关系，返回SIwave模拟谐振，并且在不限制计算模型参数的情况下，设定一个仿真频率上限为2 GHz。各计算模式下得到的谐振频率点如图5所示。

由图5可知，阻抗强度变化曲线中出现的尖峰频率点总是包含在谐振仿真计算出的工作频率点中[7]。

图5 谐振频率点

2.2.3 传导干扰的分析和电压噪声的测量

传导干扰分析是在给PCB板上的某个信号点添加电激励之后，对该电位点网络上激发出的电场变化分布进行分析。观察上述各种谐振模式下的谐振信号分布情况，选择一个谐振模式摆幅较大的区域，并对其信号网络进行干扰分析。频率-电压幅度曲线如图6所示。

图6 频率-电压幅度曲线

从图6可以看出，频率分别在0.32 GHz、0.96 GHz、1.62 GHz有明显的3处尖峰。此时再观察0.32 GHz、0.96 GHz、1.62 GHz频率下PCB板上的电压分布情况，如图7、图8以及图9所示。

图7 0.32 GHz时PCB板电场分布情况

图8 0.96 GHz时PCB板电场分布情况

图9 1.62 GHz时PCB板电场分布情况

此时，通过观察谐振分析结果可以看出，上述几个尖峰信号点的频率在谐振分析的结果中都已经可以准确寻找出与其相同或对应的一个频点[8,9]。

通过对传导性干扰的分析和对电压检测探针进行的仿真和测试，可以看出在重要的信号网络中添加激励后整个PCB上的电场分布状态。如果在实际使用的系统中，频点附近存在着与其相关的问题，则可以考虑相应的方法和措施来对其进行优化[10]。

3 结 论

综上所述，通过分析PCB板间谐振产生原理，表明板级谐振对信号完整性的影响巨大，突出对信号完整性仿真预估的必要性。同时以某DDR48层PCB板为例，详细分析其谐振仿真的过程，谐振仿真可为PCB优化设计提供理论依据。PCB设计优化在产品设计中十分重要，效果优良的PCB设计可以有效抑制干扰，使电子系统具有更强的抗干扰能力，确保系统运行安全可靠。