从PCB设计谈高性能手机仿真优化

Zjianeng · 发表于 2021-5-6 17:42

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PCB 板是电子产品的基础组件，其质量好坏直接关系到电子产品的功能和寿命。近两年，PCB 市场重点已从计算机、通信领域转向智能手机、平板电脑类移动终端。与此同时，电子产品包括智能手机也日益朝着智能化、轻薄化、精密化方向发展。随着系统复杂性的与日俱增，将给 PCB 设计人员带来更大的设计难度，他们也将很难在设计开发早期阶段就发现问题。

1 设计前的可行性分析

据了解，针对 PCB 不同的板型和 IC 平台方案，同一款手机或同时有几个团队在进行几套不同的 PCB 设计方案，在存在多种 PCB 方案都需要评估时，前期的可行性分析（布局及布线通道评估）将依赖资深工程师花费大量的时间。

此外，当前一款电子产品的研发，PCB 板尺寸越来越小，器件数量显著增加，同样为 PCB 设计带来了不小的困扰。在 100%布通率的前提下，还要兼顾信号质量和可制造性等多方面的因素。在保证质量的前提下，同时又要追求更高的性价比，这就给项目增加了更大的难度。这些问题都将就导致在整个产品研发周期内，前期评估时间占据了很大的比例。

而传统的评估方式有两种：一是根据经验判断，其缺点是评估结果不够准确；二是根据实际的布局布线来评估，此方式评估结果精准，但耗时过长。另外，上述两种方式均面临着评估无法协同进行、评估结果很难被复用的缺点。

如何快速精准地进行前期的评估，得到可行性的设计方案，是加速产品上市的重要之举。为此，mentor 带来了基于 xpedition 的高效布局平台。借助该平台，在满足精准评估的同时还能节省时间，评估结果还可以被后面的设计团队直接复用，加速产品设计。实验证明，传统评估方式需要两到三周时间，而采用 Mentor 的评估方案，时间将缩短在一周之内，相当于为客户节省了三分之二的时间。

为何 Mentor 的平台能独具优势？一方面，当前主流的手机芯片厂商大多是基于 Mentor 的 Xpedition 平台进行开发，由此，当他们的产品交给下游手机厂商后，若后者同样采用 Mentor 平台，就可直接复用参考设计，并做精准的评估。另一方面，Xpedition 平台上的工具众多、功能健全，得以加速评估，提高效率。

据了解，目前主流的手机厂商基本都采用了 Mentor 的平台方案进行手机设计的前期评估。

2 布线后的仿真优化

随着 PCB 高速信号设计越发普遍，电子电路的设计越发面临信号完整性、电源完整性、热、电磁兼容等问题挑战。因此，在经过前期的可行性分析，并完成 PCB 板的布线后，还需要对 PCB 板进行仿真验证。在设计中引入仿真验证手段，将大大提升产品开发效率、设计正确性。

在这其中，电源完整性仿真是主要的挑战之一。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及 EMI/EMC 等重要指标。随着电路信号边沿速率上升、大量 I/O 同时切换、低功耗设计等变化到来，电源传输问题日益重要。就以智能手机为例，其 PCB 板的电源仿真面临着几大痛点：手机设计中的 Power Domain 分组往往非常复杂，为了进行电源完整性仿真，工程师往往需要花费非常多的时间在繁琐的端口设定上，使得仿真过程花费大量时间，还将导致工程师没有时间做去耦电容的优化。

为此，Mentor 带来自动化的电源优化方案。传统的方法需要大量时间编辑端口，采用 Mentor 自动化设定端口方案，客户可根据 Power Domain 信息，自动创建需要的端口，可以大大缩短端口编辑时间。实验证明，采用此方案，端口建立所需时间可从 2 天降低至十分钟，而在设计出现改动后也无需花费大量时间重新编辑端口。另外， Mentor 还提供了自动去耦方案优化方案，HyperLynx 软件平台可自动识别去耦电容的端口模式，通过调用 PDN 优化器，使用优化算法进行自动优化，做到同时减少电容种类和数量。

与此同时，去耦方案的常规检查、去耦设计的前期评估、EMI 相关的电源平面检查等难题统统可通过 Mentor 方案迎刃而解。

3 重要的软件工具

优异的评估和仿真方案的实现离不开重要软件平台的支撑，上述方案主要涉及到 Mentor 的 Xpedition、HyperLynx PI、HyperLynx DRC 等软件平台。

Xpedition 是一个企业级解决方案，具有完整的设计流程，包括元器件库设计与管理、原理图设计、PCB 设计、生产数据的处理、SI/PI 仿真、EMC/EMI 分析、热分析及数模混合仿真等。与同类产品相比，强大的流程管理和数据管理、并行设计，协同设计，集成式验证等优势是 Xpedition 独有的标签。

而面向 PCB 设计人员的新 Xpedition 平台，为设计师提供了用于复杂 PCB 物理设计、分析和加工一整套可伸缩的工具，它将交互设计和自动布线有机地整合到一个设计环境中。设计师可以定义所有设计规则，包括高速布线约束，创建板型，布局，交互布线和自动布线等，直到加工文件生成。采用 Xpedition 平台实现了设计流程中的验证，从而使部署更加简单，加快实现结果的速度，并使客户能够最大化投资回报。

HyperLynx 是 Mentor 公司的电子电路仿真验证系列工具，提供了完整的仿真分析功能，包括电气设计规则检查（DRC/ERC）、信号完整性（SI）、电源完整性（PI）、板级热分析、3D 电磁场建模分析等。这一套完整的分析和验证软件，可以在 PCB 设计流程中随时满足工程师的需求。通过与设计流程的紧密集成，HyperLynx 使 PCB 工程师能够有效地分析，解决和验证设计的关键需求，以避免代价高昂的重复性设计，加快上市时间和降低成本。

其中，HyperLynx DRC 是一个强大、快速、可全面自定义的设计规则检查工具。它可以对不易仿真的复杂设计规则进行验证，例如 EMI/EMC 规则。

HyperLynx PI 是 Mentor 针对日益显著的电源完整性（PI）问题推出的分析工具。其界面友好，易学易用，可以快速得到仿真结果。HyperLynx PI 能够识别潜在的直流电源分配问题、优化 PDN 电源分配网络等。

据了解，93%的 HyperLynx 客户认为采用 HyperLynx 进行虚拟原型制作可以通过最大程度地减少重复设计并消除物理原型来降低成本和设计时间。

如果说此前工程师还苦于没有找到合适且优异的前期评估和仿真验证方案，现在机会来了，Mentor 不仅带来了方案，还为此进行了专题研讨会。