印刷电路板 （PCB） 的影响何时重要？在模拟环境中导航

我和我的同事们经常被问到关于 PCB 效应的相同问题，例如：

 

仿真何时需要 PCB 效果？

 

为什么时域仿真需要 PCB 效应？

 

当 PCB 效应必须包含在仿真中时，频率是否重要？

 

设计人员应该在多大程度上关注 VRM 模型中包含的 PCB 效果？

 

无论频率如何，这些都是有效的问题，但我的答案总是一样的。如果你想要正确的答案，PCB 效应是总是需要 PCB 效果无论频率如何，都需要。换句话说，无论您是模拟 1 Gbps SerDes、56 Gbps SerDes、DDR5-5600 总线、DDR4、电源、稳压器模块 （VRM） 还是配电网络 （PDN），您都必须始终包含印刷电路板效应才能获得正确答案！PCB 上有多个电感和电容寄生效应，可以完全改变电路性能的动态。

 

为什么 PCB 效应对于精确仿真至关重要

我想我们都同意，Signal Integrity 社区大多非常重视这个“思想流派”，通常包括 PCB 效应。但是，仍然存在异常值，这并不总是正确的。不包括 PCB 效应的最大差距似乎存在于电力电子领域。

 

当超越原理图时，了解 PCB 效应对仿真的影响至关重要。

 

PCB 效应对仿真精度的影响

例如，让我们使用 Texas Instrument TPS7H4003 评估板。TPS7H4003 是一个 18A DC/DC 转换器。参考图 1，左侧波形显示了 Sandler State-Space Average VRM 模型的时域电压响应输出没有包括 PCB 效果。右边的波形显示了输出电压响应的测量结果，清楚地表明左图中没有看到额外的 1MHz 振荡。中心波形描述了当 PCB 效应包含在 Sandler State-Space Average VRM 模型中时的输出电压响应。正如我们所看到的，中心波形现在不仅包括 1MHz 的振荡，而且还与测得的波形相匹配。除非使用 Keysight ADS 将 PCB 效应包含在仿真结果中，否则无法实现这一结果。

 

图 1 - 有和没有 PCB 效应的时域仿真与测量 [1]

 

阻抗和噪声频谱分析

“我们可以看看另一个例子，通过引用最近与一些同事一起完成的 DesignCon 2024 论文的摘录，来展示 PCB 效应在仿真中的重要性。2000Amp 核心轨的设计、仿真和验证挑战”的摘录，看看另一个例子，该示例显示了 PCB 效应在仿真中的重要性."参考图 2，当比较没有 PCB 效应和有 PCB 效应的仿真结果时，有两个非常快速的观察结果。

 

第一个是路径电阻增加了 22,000%（2.455 uOhm 至 57.441 uOhm），由每个图上的标记 m1 表示。在这种情况下，2000 安培低于 1V PDN 的目标阻抗约为 40 uOhm。作为设计师，如果没有 PCB 效应，我们可能会认为我们有足够的余量，而实际上，您需要通过在设计中添加更多铜来降低实际电阻，以满足所需的 40 uOhm 阻抗目标。

 

第二个观察结果是，在考虑 PCB 效应时，观察到我们的 VRM 控制回路电感（242.425 pH 至 426.882 pH）增加了 76%。

 

参考 EQ（1），电感增加 76% 意味着该设计的电容将增加 76%，以满足 40 uOhm 阻抗目标。同样，如果没有 PCB 效应，就不会观察到或捕捉到这一点。最终，这将导致 PCB 重新设计，这将在时间表上花费更多的时间和金钱。

 

情商（1）

 

图 2 - 无和有 PCB 效应的 2000 安培内核电源轨 PDN 的阻抗仿真 [2]

 

为了解释为什么在 2000A VRM 和 PDN 的设计中必须考虑 PCB 效应，图 3 比较了有和没有 PCB 效应的噪声频谱。在 VRM 的开关频率下，具有 PCB 效应的噪声频谱高出 3 dB [2]。

 

图 3 - 带和不带 PCB 效应的 2000 安培 VRM 和 PDN 噪声频谱 [2]

 

忽视 PCB 效应的成本

简而言之，正确很重要！计划外的 PCB 重新设计可能会破坏项目开发计划。除了 PCB 重新设计所需的额外成本外，为避免这种成本，您的仿真中还必须包括 PCB 效应。如果在设计签核之前没有正确考虑，构成我们 PCB 的寄生效应，无论是传输线还是电源层，都会对整体设计产生重大影响。

 

您是否需要以下方面的帮助：

• 为您的设计签核生成 PCB （SnP） 模型或封装 （SnP） 模型

• 希望通过准确的电磁分析确保设计中互连的信号完整性

• 希望通过精确的电磁分析来分析设计中 PDN 的电源完整性

• 支持电源完整性或信号完整性的端到端仿真工作

• 电源平面上的直流降分析

• 电热分析

• 为差分对、DDR4、DDR5 或高速 SerDes 网络生成 EM 提取

• 或者甚至只是确保 S 参数 （SnP） 模型质量 Signal Edge Solutions 非常乐意与您合作。

 

引用：

1. 桑德勒，S.，丹南，B.，巴恩斯，H.，约茨，C.面向 Power Integrity Engineer 的 VRM 建模和稳定性分析.DesignCon 2023 年。

2. Sandler， S.， Dannan， B.， Barnes， H.， Ezra， I.， Ni， Y.，2000 A 磁芯电源轨的设计、仿真和验证挑战.DesignCon 2024 年。

3. 信号完整性 电源完整性和电磁 （EM） 建模出版物 |Signal Edge Solutions 有限责任公司

4. TPS7H4003EVM 评估板 |TI.com

5. PathWave 先进设计系统（ADS） |是德科技