一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，首先进行PCB系统的SI、PI设计，在PCB系统满足SI、PI设计需求后对PCB系统EMC设计需求的检查进行EMI反馈设计，方法具体包括以下具体步骤：步骤S1，分析EMI产生的主要原因；步骤S2，通过电源地平面构成的平面谐振腔结构进行隔离高频辐射；步骤S3，通过在电源地平面放置电容阵列或短路孔阵列进行平面谐振抑制；步骤S4，在考虑SI、PI的情况下建立SI、PI、EMI权衡设计策略。本发明专利技术改善了整个PCB系统的全面性，从而保证了整个系统的稳定性，更好的进行了信号之间的在实际运行中高速传输状态，增强了服务器系统的可靠性。

A collaborative design method of SI, PI and EMC for high performance PCB

The invention discloses a high performance PCB, SI, PI and EMC collaborative design method, firstly, the SI PI PCB system design, in the PCB system to meet the demand for PCB EMC system design SI, PI design requirements for EMI feedback design method, including the following steps: step S1, the main analysis of the causes of EMI; step S2, planar resonant cavity structure formed by the power plane for isolation of high frequency radiation; step S3, plane resonance suppression by placing a capacitor array or short hole array power plane; step S4, in consideration of SI, the case of PI SI, PI EMI, to establish balance design strategy. The invention improves the integrity of the whole PCB system, so as to ensure the stability of the whole system, better the signal between the high speed transmission in actual operation state, enhances the reliability of the server system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，属于服务器印刷电路板设计

技术介绍
EMI(ElectroMagneticInterference，电磁干扰)设计主要关注高速电路板级电磁干扰和抗干扰设计，板级电磁干扰指信号互连和电源地对外电磁发射；抗干扰指信号互连和电源地对外界电磁干扰的抗干扰能力。EMI设计需遵从互易定理：容易辐射电磁场的回路，也容易受环境电磁场干扰。高速电路中易造成EMI问题的原因是信号回路设计不当和电源地平面反谐振。高速电路中主要有两种形式的电流：差模电流和共模电流。差模电流指大小相等，方向相反的电流；共模电流指大小相等，方向相同的电流。差模电流方向相反，其远场辐射方向也相反，大部分远场辐射抵消。两差模信号线相距越近，远场辐射抵消越多。共模电流方向相同，其远场辐射方向也相同，相互叠加后远场辐射增大。两共模信号线相距越近，远场辐射越强。电路EMI设计往往关注的是最大远场辐射，合理设计信号回路尽量减小电路中共模电流的影响，可最大限度地避免EMI问题。常见的信号回路设计不当情况有：高速信号跨越分割平面、高速信号过孔切换参考平面时未采取保护措施、PCB表层信号布线形成环路等。这些信号回路设计不当也是SI(SignalIntegrity，信号完整性)问题的主要来源。因此，许多板级EMI设计方法与SI设计方法相同。多层PCB设计中通常采用电源地平面供电，电源地平面构成了平面谐振腔结构，若平面谐振模式被激发，在PCB边缘将产生较大电磁辐射导致EMI问题。合理的电源地平面设计不但可以为系统提供稳定地供电，而且可有效降低系统电磁辐射。多层PCB叠层设计时通常考虑将高速信号布在内层，通过电源地平面有效隔离高频辐射。PI(PowerIntegrity，电源完整性)设计中需保持PDN低阻抗以减小电源地平面噪声，干净的电源地平面可大大降低系统电磁辐射风险。PDN阻抗反谐振频率包含在电源地平面反谐振频率中，通过添加去耦电容抑制PDN反谐振峰值，同样可有效抑制电源地平面的反谐振，减少PCB边缘场辐射。EMI设计中，可考虑在电源地平面放置电容阵列或短路孔阵列进行平面谐振抑制。电容或短路孔放置位置优选电源地平面反谐振峰值处，且保证其间隔小于系统有效频段内最大谐振波长的1/10。设计中还可通过抑制PCB边缘场减少平面谐振辐射，如20-H设计法则、PCB边缘布地防护线、PCB边缘板镀等。寻找电源地平面谐振激励源，从辐射产生源头进行抑制是有效的EMI设计方法。主要的电源地平面谐振激励源有SSN、信号过孔切换参考平面、信号线跨越平面开槽等，因此需要采取抑制电磁辐射源头的设计。为克服上述技术问题，本专利技术提出了一种高性能PCB的SI、PI和EMC(electromagneticcompatibility，电磁兼容)协同设计方法。
技术实现思路
针对上述技术的不足，本专利技术提供了一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其能够改善整个PCB系统的全面性，保证整个PCB系统的稳定性，增强服务器系统的可靠性。本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其特征是，首先进行PCB系统的SI、PI设计，在PCB系统满足SI、PI设计需求后对PCB系统EMC设计需求的检查进行EMI反馈设计。进一步地，所述的方法包括以下具体步骤：步骤S1，分析EMI产生的主要原因；步骤S2，通过电源地平面构成的平面谐振腔结构进行隔离高频辐射；步骤S3，通过在电源地平面放置电容阵列或短路孔阵列进行平面谐振抑制；步骤S4，在考虑SI、PI的情况下建立SI、PI、EMI权衡设计策略。进一步地，EMI产生主要原因的分析过程为：(1)由于在芯片中存在多个驱动器同时做出开关动作时引起同时开关躁声SSN，开关躁声SSN的产生会使得在电源地中汲取或注入瞬态大电流，导致电源分配网络PDN上较大电压波动并耦合到信号路径产生开关躁声SSN,开关躁声SSN耦合至信号路径将引起SI问题，在电源分配网络PDN上传播导致PI问题和EMI问题；(2)在电源分配网络PDN系统中，AC噪声的存在使得电源分配网络PDN的传播会引起SI问题和EMI问题；(3)在服务器供电系统中，多层PCB设计中通常采用电源地平面供电，电源地平面构成了平面谐振腔结构，如果平面谐振模式被激发，则在PCB边缘将产生较大电磁辐射导致EMI问题。进一步地，所述开关躁声SSN的计算公式为：式中，VSSN表示噪声电压，N表示共用电源地的同时开关信号数量，Ltotal表示总回路电感，表示同时开关变化率。进一步地，在多层PCB叠层设计时将高速信号布在内层，通过电源地平面进行有效隔离高频辐射。进一步地，在进行平面谐振抑制过程中，电容阵列或短路孔阵列放置在电源地平面反谐振峰值处，且保证其间隔小于PCB系统有效频段内最大谐振波长的1/10。进一步地，在步骤S4中，结合SI、PI设计方法可进行系统的SI、PI设计，在系统满足SI、PI设计需求后，通过对系统EMC设计需求的检查进行EMI反馈设计。进一步地，所述步骤S4包括以下具体步骤：步骤S41，建立仿真模型：首先通过电磁仿真或实际测量提取互连频域参数，然后通过电路综合获得SIPCE兼容的电路模型用于时域仿真，最后采用宽带宏模型建模技术流程；步骤S42，建立SI-PI协同仿真模型：首先采用多端口S参数或Z参数进行特性提取，然后通过宽带宏模型建模获得信号链路与PDN构成的整体模型，最后将封装与PCB级的耦合忽略，将信号链路与PDN构成的整体模型进行设计后建立SI-PI协同仿真模型；步骤S43，简化SI-PI协同仿真模型：将SI-PI协同仿真模型进行简化得到简化后SI-PI协同仿真模型；步骤S44，建立SI、PI和EMI综合分析框图：在保证PCB系统SI、PI设计需求基础上，根据设计需求进行EMI权衡设计建立SI、PI和EMI综合分析框图，并根据SI、PI和EMI综合分析框图进行搭建高性能PCB。本专利技术的有益效果是：本专利技术首先进行PCB系统的SI、PI设计，在PCB系统满足SI、PI设计需求后对PCB系统EMC设计需求的检查进行EMI反馈设计，在保证系统SI、PI设计需求基础上，根据设计需求进行EMI权衡设计，提出了一种系统级的EMI权衡策略。本专利技术在整个PCB设计中通过将SI、PI以及EMC综合考虑进去以后，大大的改善了整个PCB系统的全面性，从而保证了整个系统的稳定性，更好的进行了信号之间的在实际运行中高速传输状态，增强了服务器系统的可靠性。附图说明下面结合说明书附图对本专利技术进行说明。图1为本专利技术的的方法流程图；图2为差模与共模电流远场辐射示意图；图3为PDN上两种噪声的传播示意图；图4为电源地平面谐振引起PCB边缘场辐射增强示意图；图5为电容阵列抑制平面谐振示意图；图6为SI、PI、EMI综合分析框图；图7为SIPCE兼容的电路模型示意图；图8为信号链路与PDN构成的整体模型示意图；图9为SI-PI协同仿真模型示意图；图10为简化后的SI-PI协同仿真模型示意图。具体实施方式为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利技术进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其特征是，首先进行PCB系统的SI、PI设计，在PCB系统满足SI、PI设计需求后对PCB系统EMC设计需求的检查进行EMI反馈设计。

【技术特征摘要】
1.一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其特征是，首先进行PCB系统的SI、PI设计，在PCB系统满足SI、PI设计需求后对PCB系统EMC设计需求的检查进行EMI反馈设计。2.根据权利要求1所述的一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其特征是，所述的方法包括以下具体步骤：步骤S1，分析EMI产生的主要原因；步骤S2，通过电源地平面构成的平面谐振腔结构进行隔离高频辐射；步骤S3，通过在电源地平面放置电容阵列或短路孔阵列进行平面谐振抑制；步骤S4，在考虑SI、PI的情况下建立SI、PI、EMI权衡设计策略。3.根据权利要求2所述的一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其特征是，EMI产生主要原因的分析过程为：(1)由于在芯片中存在多个驱动器同时做出开关动作时引起同时开关躁声SSN，开关躁声SSN的产生会使得在电源地中汲取或注入瞬态大电流，导致电源分配网络PDN上较大电压波动并耦合到信号路径产生开关躁声SSN,开关躁声SSN耦合至信号路径将引起SI问题，在电源分配网络PDN上传播导致PI问题和EMI问题；(2)在电源分配网络PDN系统中，AC噪声的存在使得电源分配网络PDN的传播会引起SI问题和EMI问题；(3)在服务器供电系统中，多层PCB设计中通常采用电源地平面供电，电源地平面构成了平面谐振腔结构，如果平面谐振模式被激发，则在PCB边缘将产生较大电磁辐射导致EMI问题。4.根据权利要求3所述的一种高性能PCB的SI、PI和EMC协同设计方法，其特征是，所述开关躁声SSN的计算公式为：VSSN=NLtotaldidt]]>式中，VSSN表示噪声电压，N表示共用电源地的同时开关信号数量，Ltotal表示总回路电感，表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘法志，王伟，
申请(专利权)人：郑州云海信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41