大数据时代，如何提高高速PCB设计效率？

在大数据时代，无论是数据中心的解决方案、汽车与工业设备，还是日常消费电子产品，各类设备的信号传输速率正以前所未有的速度提升。以PCIe 6.0为例，其传输速率已高达64Gbps；USB4紧随其后，达到了40Gbps的速度；而并行总线DDR5也实现了每秒6.4Gbps的惊人速率。与此同时，高速总线的调制方式已经从传统的NRZ演进至PAM4，甚至探索更高阶的调制技术。此外，随着CCIX、GenZ、CXL等新型总线技术的涌现，工程师们面临着前所未有的挑战。

如何提高PCB设计的成功率和效率，已成为工程师工作的重中之重。减少因返工造成的项目延期和成本增加，通过高速链路仿真优化设计过程，逐渐成为工程界关注的焦点。这种仿真方法不仅有助于应对上述挑战，而且能够显著提升设计项目的经济效益和技术表现。

高速PCB设计流程包含以下几个步骤：

与传统PCB设计相比，高速PCB设计在原理图设计阶段以及布线完成后都需要进行信号与电源完整性分析。在原型机测试阶段需要加入相应的信号与电源完整性测试。

是德科技的先进设计系统（Advanced Design System，ADS）软件是一个完整的高速电路仿真设计平台，提供了完整的信号与电源完整性仿真解决方案。接下来我们从原理图设计、版图设计两个角度进行描述。

原理图设计

在ADS原理图环境中，有三种仿真器可以用于信号完整性的仿真和分析：

一、S参数仿真器

无论是在信号完整性还是电源完整性的领域中，S参数被广泛用于表征多种器件的特性，包括芯片封装、传输线、过孔、连接器、线缆及电容等无源元件。对于一个完整的通道设计来说，往往需要对多个S参数进行级联处理。在ADS（Advanced Design System）软件中，用户可以非常便捷地实现各类S参数的级联，并灵活执行S参数仿真以及数据处理。

针对单个S参数，ADS提供了直观的S参数查看器（S-parameter Viewer），使用户能够轻松检查单端和混合模式下的S参数结果。此外，该查看器还支持验证S参数的无源性、互易性、相位关系，并展示Smith图，为工程师提供全面的数据分析视角。完成S参数仿真后，在数据显示窗口中，用户不仅能查看仿真结果曲线，还能进一步处理数据，如应用规范模板等操作。

通过S参数仿真的应用，工程师能够在频域中详细分析通道的插入损耗（insertion loss）、回波损耗（return loss）、串扰（crosstalk）等关键性能指标，有效提升设计的准确性和可靠性。这种方法不仅简化了复杂通道的设计流程，也为优化产品性能提供了强有力的支持。

二、瞬态仿真器(Transient)

瞬态仿真是时域仿真中的一种经典方法，能够对多种重要参数进行分析，包括时域反射（TDR）、波形的上升和下降时间（Waveform rising/falling）、振铃现象（Ringing），以及眼图（Eye Pattern）等。在瞬态仿真过程中，可以将芯片的输入/输出模型（如SPICE或IBIS模型）与通道模型结合在一起进行综合仿真。这种方法使得工程师能够全面评估整个信号路径的性能，优化设计以确保信号完整性和系统稳定性，并有效解决高速电路设计中的潜在问题。通过这种仿真手段，不仅提升了设计效率，还增强了对复杂电路行为的理解和预测能力。

三、通道(Channel)仿真器

对于高速串行总线而言，通常对误码率（BER）有着极为严格的要求，目标是将误码率降至极低水平。因此，在仿真和测试过程中，需要大量的采样点或采用特定的数学算法以满足精确分析误码率的需求。随着信号传输速率的持续攀升，仅依赖芯片的基本驱动能力已无法克服信号在传输过程中不可避免的衰减问题。为此，高速串行总线的芯片设计中引入了加重和均衡算法，以提升信号质量。

在仿真领域，这种趋势推动了新的分析方法的发展，特别是利用ADS中的通道仿真（ChannelSim）工具。完成通道仿真后，用户能够在数据显示窗口查看包括波形、浴盆曲线（Bathtub Curve）、眼图（Eye Pattern）在内的多种结果，以便全面评估信号完整性。此外，IBIS-AMI模型或行为级IO模型可应用于通道仿真中，为设计提供更精确的参考。若需建立IBIS-AMI模型，可以借助是德科技提供的SystemVue及ADS等系统仿真软件来实现。

PCB的仿真

一、SIPro/PIPro仿真分析工具

ADS的版图设计环境集成了全新的SIPro和PIPro仿真分析工具，为工程师提供了一种快速高效的方法来完成PCB设计中的信号完整性（SI）和电源完整性（PI）的布局分析及后布局仿真。SIPro和PIPro作为嵌入于ADS版图设计环境中的功能模块，拥有独立的用户界面和仿真引擎，能够直接对版图设计进行精确分析。

此外，ADS版图设计环境支持多种设计文件格式的导入，包括但不限于ODB++、Gerber、IFF、EGS和Allegro Brd等，极大地提高了设计流程的灵活性和兼容性。这种集成解决方案不仅简化了复杂PCB设计项目的管理，还促进了从概念到成品的无缝过渡，确保了设计在电气性能上的优越表现。通过使用这些先进的工具，工程师可以更自信地面对日益复杂的电路设计挑战，同时提高工作效率和设计质量。

SIPro/PIPro 包含以下功能：

1. PI-DC，用于直流电压降分析

由于过大的直流电压降，可能导致供电至IC电源端的电压低于其推荐的最低工作电压，从而引发IC故障。同时，如果过孔处的电流密度过高，可能会产生过多热量，造成电路板损坏或烧毁，进而导致系统故障。为解决这些问题，PI-DC分析工具能够计算在直流条件下的电压分布、电流流动、IR Drop（电压降）以及电源分配网络的功率损耗密度等关键参数。

借助PIPro工具，工程师可以有效识别芯片及其他组件在直流工作条件下的管脚和连接过孔的电流密度，确保设计的安全性和可靠性。PIPro还能显示芯片管脚的实际电压，并提供与推荐值对比的设计裕量分析，帮助工程师评估设计风险。此外，仿真结果能够自动生成详细的报告，便于团队成员之间的沟通和文档记录。这些功能共同助力工程师优化设计，预防潜在问题，提高产品的整体性能和稳定性。

2. PI-AC，用于 PDN 阻抗分析

PI-AC分析工具用于评估电源分布网络（PDN）的交流阻抗特性，并能可视化显示电流密度，帮助识别潜在的热点区域。通过PI-AC，提取出的阻抗网络可以直接转换为ADS原理图，进而与电压调节模块（VRM）模型及去耦电容进行优化整合。这项功能支持在仿真过程中添加多种元件模型，包括但不限于理想集总元件、S参数模型、元器件厂家提供的模型库以及自定义电路模型等。

用户可以为单个元件定义多种不同的模型，并轻松地在这些模型之间切换，以适应不同的仿真需求。PI-AC分析还支持一次性对任意数量指定的电源网络进行分析，仅需更换元件模型即可快速获取新的仿真结果，而无需重复执行电磁仿真流程。这种灵活性和高效性不仅加快了设计进程，还提升了对复杂电源系统设计的理解和优化能力，确保电源分配网络能够在不同条件下保持最佳性能。

3. PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于电源平面谐振分析

电源平面谐振可能对敏感的模拟电路造成干扰，并产生过量的电磁辐射，这将导致设计难以满足电磁兼容性（EMC）标准。通过电源平面谐振分析，可以计算出配电网络（PDN）的自谐振频率及其对应的Q值，从而为设计提供关键参数支持。

4.用于电热联合仿真的Electro-Thermal以及热仿真分析Thermal

在电源完整性分析中，还集成了电热仿真功能，实现了电力与热效应的协同仿真。这一过程首先通过电源完整性仿真引擎（DC Drop）对电源分配网络进行详细仿真，以计算功率密度，并将这些数据传递给热分析器。接着，热分析器依据器件的功耗情况执行热分析，评估温度分布。系统会多次迭代这个过程，持续更新温度值，直到仿真结果收敛。

5.Power-Aware Signal Integrity Analysis——用于与电源相关的信号完整性分析

平面。如果在提取信号走线的S参数时仅考虑参考地平面而忽略了电源平面，会导致仿真结果出现显著误差。为解决这一问题，SIPro采用了一种独特的混合算法，能够迅速且准确地提取包括过孔在内的信号走线与地平面及电源平面之间的频域模型。

该频域模型可以直接转换成ADS原理图，适用于多种电路仿真类型，如时域瞬态仿真（Transient）、通道仿真（Channel）、DDR总线仿真等。这种方法确保了仿真的精确性，使设计人员能够在设计初期就识别并解决潜在的信号完整性问题。

6. CEMI（Conducted EMI），用于PCB 电源传导仿真分析

随着在电子产品中往往需要进行 EMC 的检测分析，传导就是 EMC 的一种。为了更好的发现、避免以及解决传导的问题。在 PIPro 中可以利用 CEMI 对电路进行传导的仿真分析。

7. 阻抗快速扫描

SIPro和PIPro的仿真速度相较于传统的平面或3D电磁场仿真器提升了10倍以上，同时保持了极高的仿真精度，能够与采用3D有限元法的仿真结果相媲美。这两款工具拥有用户友好的界面，简化了仿真流程，并能轻松生成ADS原理图以供电路分析使用。

它们支持对非规则结构进行仿真，并提供便捷的Back drill过孔设置功能，同时还允许用户灵活定义信号端、电源端及参考端。此外，SIPro和PIPro配备了Python接口，使得电容模型库的管理更为简便高效。完成仿真后，SIPro/PIPro还能生成测试平台（test bench），方便用户在ADS原理图中进一步开展电路分析。

总的来说，SIPro和PIPro为电路设计师提供了高效、精准且灵活的仿真解决方案，极大地提高了设计效率和灵活性，是现代电子设计不可或缺的利器。这些工具不仅加快了产品开发周期，还确保了最终产品的性能和可靠性。

二、EP-Scan电气性能扫描软件

SIPro和PIPro功能强大，特别适合专业的信号完整性分析师使用。然而，在设计阶段，硬件工程师、PCB设计工程师以及测试工程师同样需要关注信号与电源完整性问题。为了帮助这些工程师在布线完成后快速检测系统的电气性能，并及时发现初步的SI（信号完整性）或PI（电源完整性）问题，是德科技推出了EP-Scan（Electrical Performance Scan）电气性能扫描软件。

借助EP-Scan，硬件相关的工程师只需进行简单的操作即可快速扫描并查看信号的电气特性，识别潜在的信号完整性问题。这种简便性使得非专业人员也能轻松上手，有效提升了设计流程中的效率和问题发现速度。当然，对于更为复杂的信号完整性挑战，仍需依赖SI工程师的专业知识和技术，通过SIPro和PIPro进行深入分析和仿真来解决这些问题。

总的来说，EP-Scan为硬件工程师们提供了一个快捷、直观的工具，用于初步评估和检测SI与PI问题，而SIPro和PIPro则为深入研究和优化提供了强有力的支持，二者相辅相成，共同促进了电子产品的高效设计与开发。

EP-Scan可以通过简单的三个步骤解决信号完整性分析中的瓶颈问题。

1.

使用EP-Scan，加载PCB布局设计或导入ODB++文件变得轻而易举。接着，您可以选择特定的网络进行分析。更出色的是，您还可以为选定的网络制定测试计划，并选择适用的电气规范（EP-Scan内置了多种标准电气规范，如PCIe、USB、DDR等）。根据所选的电气规范，可以对阻抗、延时、插入损耗和回波损耗等关键指标进行详细分析。

2.

进行电气性能扫描的过程非常简便，只需一键点击即可运行所有预设的测试计划。每当设计有更新时，您都可以自动重新运行EP-Scan中预先设定的测试计划，以便快速检查信号完整性问题并获得即时反馈。这种方法使得在设计修改后能够迅速验证其稳定性和可靠性，确保每一次调整都不会引入新的问题。

3.

在完成信号完整性分析后，EP-Scan提供了一键生成详细报告的功能，极大地简化了结果展示和存档流程，避免了繁琐的手动复制粘贴工作。通过这一功能，您可以轻松分享分析结果给团队成员或管理层，并记录设计的进展与改进情况。

通过这三个简单的步骤，EP-Scan为硬件工程师提供了一款便捷高效的工具，极大地简化了分析流程，节省了宝贵的时间和精力。它有效地突破了性能验证的瓶颈，使您能够将更多注意力集中在设计的优化和改进上，从而更快地将产品推向市场。利用EP-Scan，不仅提高了工作效率，还加速了创新过程，确保您的设计在满足高标准的同时，也能迅速响应市场需求。

EP-Scan 生成的测试报告

在上述内容中，我们简要探讨了大数据时代对高速PCB设计带来的挑战，并说明了如何利用ADS和EP-Scan这两种工具提升设计工程师的工作效率。值得注意的是，大数据时代的来临不仅对高速PCB设计提出了更高的要求，同时也为设计师们带来了更加优越的协同工作环境。

在这个背景下，云计算技术显得尤为重要，尤其是在工程领域需要快速生成仿真报告的情况下。通过释放计算资源的强大算力，可以更充分地发挥仿真工具的潜力。ADS提供的HPC（高性能计算）加速服务显著提升了工程计算的速度，使得设计团队能够在最短时间内获取仿真结果，进而提高项目的产出效率。

此外，使用Cliosoft等工具，设计团队能够在云平台上实时共享设计文件、模型和数据，支持多地协同设计。这种方式极大地加快了设计流程，增强了团队合作的效率。总的来说，大数据时代通过提供先进的计算能力和高效的协作平台，不仅提高了高速PCB设计的复杂度和要求，也为解决这些问题提供了强有力的支持，推动了整个行业的进步和发展。