PCB分析每个设计人员的注意事项

2018年9月11日

简介

印刷电路板(PCB)的复杂性要求执行不同的分析类型，以确保稳健的电路板性能。这种复杂性是由不断增加的总线数据速率带来的，以提供大的吞吐量;需要保持恒定阻抗的网络，跨越多种形式的因素;有损耗层压材料造成的高传输损耗;元件和铜迹的高热功率损耗和温升;以及产品认证需要进行的失效测试。本文展示了这些因素如何降低PCB性能边际，并需要不同类型的分析来避免在整个PCB设计周期中出现故障。

电分析

硅处理器中与亚纳米技术节点相关的高数据速率需要使用最先进的工具进行先进的信号和功率完整性模拟。仿真是为了优化混合信号模式、封装、pcb、连接器和端点的性能。

为了进行模拟，设计人员在适当的时候使用供应商模型，并为自己的设计创建模型。随着EDA工具的出现，设计师也可以使用来自不同来源的模型。大多数模拟是在PCB设计阶段的预布局阶段完成的，以建立要在PCB布局中实现的路由准则。在整个设计阶段，设计人员为给定的产品确定堆栈结构、组件放置、解耦策略和减少损失。

在布局后分析中，设计人员使用精确的三维(3D)求解器，根据实际布局和组件模型的级联块提取频域模型，用于PSpice或Spectre等时域模拟器中。模拟允许在PCB制造之前优化端点收发器之间的完整设计的拓扑性能和布局更新。

图1显示了PCB的电气分析。该分析提供了一些视觉视图，如阻抗、耦合和检查指标。虽然这通常是对PCB中的关键走线进行的，但它可以很容易地对PCB中的所有走线进行。这种视觉以颜色显示了设计规则违反(drc)，因此使设计人员更容易快速地捕捉和修复设计违规。

图1:PCB电分析视图

预布局和后布局方法已被证明有助于在获得第一篇文章之前优化设计，特别是在硬件不可用的情况下，从而减少设计重复，并使设计能够在第一时间实现性能目标。Cadence设计系统提供了一个完整的系统设计平台，可以辅助pcb的电气模拟和分析。其他工具包括提取工具(PowerSI)、系统仿真工具(SystemSI)、香料电路模拟器(Spectre)、电-热协同模拟器(PowerDC)和计算流体动力学(Celsius)。这些工具有助于分析流程，简化PCB设计过程，并产生稳健的性能。

热分析

与电气效应一样，温度效应会导致PCB组件的功率损耗，并可能导致产品不符合要求。在亚纳米技术中，泄漏电流占主导地位，这种效应会加剧。就像他们的电子同行一样，热效应也可以通过观察PCB设计中的温度分布和热流图轻松模拟和规划。

分析材料特性对PCB设计至关重要，因为材料特性决定了PCB的性能。在不同方向上具有不同膨胀系数的非均匀材料，称为各向异性，在温度变化的影响下会导致材料碎裂。例如，PCB组件中硅的热导率随着温度的升高而显著降低。这会降低处理器吞吐量的速度。更具体地说，当温度升高80℃时，pcb中铜的电阻增加约30%。温度升高增加了材料损耗、功率损耗、焦耳发热，缩短了信号传输距离。

PCB设计人员通过使用不同工艺角的行为模型在模拟中考虑温度依赖性。工艺弯角是典型、快速和缓慢弯角情况下的工艺电压和温度(PVT)的适当范围值的组合。Cadence公司的一种特殊的晶体管到行为(T2B)工具可用于构建各种过程角模拟器件操作的模型。这将考虑过程角落的影响，并将其构建到模型中，以便稍后用于分析和模拟。在部件方面同样重要的是，工程师可以使用流体动力学来模拟3D部件，并显示传热图和温度梯度。然后，他们可以将模拟结果与最大额定值进行比较，以确定可能的组件故障。

热和电效应的共同分析是最先进设计的保证。由于需要在PCB上放置一个组件来在组件之间分配功率，它可能被证明不是最优的电路考虑，反之亦然。例如，在PCB上的组件周围放置罐头来屏蔽敏感电路免受电磁干扰(EMI)，从而增加电路板的电阻率和功率损失。另一方面，放置在PCB上的大型散热器会导致EMI辐射和噪声耦合到附近的电路，使其工作超出其规格。因此，通常进行联合仿真，以开发权衡和平衡两种设计标准之间的PCB性能。

图2显示了使用Cadence Thermal Explorer Analysis的PCB区域的温度分布。结果表明，在几个PCB组件上有很大的温度梯度。这样的分析可以帮助设计工程师计算PCB走线和组件以及PCB区域周围环境中的功耗。