利用HyperLynx进行阻抗分析

RNGxiaohu · 发表于 2022-1-28 13:45

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HyperLynx可以自动生成PCB全板阻抗分析报告。

叠层参数设置
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阻抗计算的基础是叠层参数，软件是根据这些参数对PCB连接进行建模，进行阻抗分析。所以叠层参数是否于生成数据一致直接影响阻抗分析的结果。HyperLynx从PCB设计数据中直接读取叠层数据，不需要手工输入。用户也可以使用HyperLynx提供的Stackup Editor输入和编辑叠层数据。

上面对话框内的Usage列很重要，很多Layout不是很注意金属层的类型。其实，所有EDA软件在计算阻抗的时候都要依据正确的金属层类型，信号层或者平面层。因此，这个是我们在作SI/PI仿真，亦或是阻抗分析的第一步，确认正确的金属层类型。

Usage右边的两列，Thickness和Er通常是从PCB设计数据中读入的，我们只需要确认与生产数据一致就可以了。

Test Width 这项可以填入预计走线宽度，软件会自动计算出当前叠层下的阻抗值，并显示在右边Z0列。

下面我们来看几个提高阻抗计算精度的设置

计算损耗
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这个选项，开启了有损传输线建模，在后面的阻抗分析报告，以及SI仿真计算中，介质损耗会自动导入。但是这个开关项的影响不会在Stackup Editor中的Z0列中显现出来，毕竟那只是一个预估计算值。

b. 计算共面波导以及参考平面不连续

按照下图的步骤，开启共面波导和参考平面不连续的建模功能。在步骤二中的两个参数D和G的说明在图中已经有详细的介绍，通常采用缺省值就可以获得足够的精度。同样，这个开关项的影响不会在Stackup Editor中的Z0列中显现出来，毕竟那只是一个预估计算值。

c. 表面粗糙度和梯度

上面对话框里面的两个参数不是所有PCB设计工具都可以输入的，我们需要在这里添加。但是从对仿真精度的影响来说，这个提升对于百兆以及更低的信号影响不大，是可以忽略的。这个开关项的影响会在Stackup Editor中的Z0列中显现出来。

2. 利用HyperLynx SI General Batch Wizard生成PCB阻抗分析报告

如果仅仅止步于采用软件内嵌阻抗公式，对于输入的测试线宽进行阻抗计算是无法适应PCB Layout的千变万化，HyperLynx SI General Batch Wizard为用户提供了通过快速设置，生成全板阻抗分析报告的方法。HyperLynx SI使用2.5D场解析器快速地给出PCB全板阻抗分析报告，准确度较公式计算有了大幅提高。当然，对于千兆乃至万兆的高速连接需要3D全波EM场解析器来提供更精准的结果。对于千兆以下的连接，2.5D场解析器可以给出精度足够，而计算时间远远少于3DEM的解。

按照上图中的内容设置，HyperLynx General BatchWizard给出了PCB的阻抗分析报告。

3. 利用HyperLynx DRC 生成PCB阻抗分析报告

HyperLynx SI General Batch Wizard可以给出PCB连接最大最小以及平均阻抗，分布电容，电感，电阻，长度等的统计报告，但是没有给出是否满足设计要求的。大多数情况线，找到违反阻抗设计要求的网络，定位阻抗违规的位置对于设计师更有帮助。我们可以使用HyperLynx DRC 提供的阻抗规则来完成PCB板的阻抗检查。

下图显示了HyperLynx DRC 单端阻抗规则。HyperLynxDRC与HyperLynx SI共用同样的Stackup Editor，参数设置我们就不重复了。在阻抗规则参数栏中，红色框中了两个“NO”参数设置，实现了HyperLynx SI中共面波导和参考平面不连续计算使能的同样作用。下图左下部的红色框，标识出了规则的作用对象。这里选择whole design，以为着我们将对全板网络检查阻抗是否满足50ohm正负10%的要求。

我们可以通过在规则列表中选中Impedance，而后点击鼠标右键，选择Execute来执行规则检查，在Results 表单中可以方便的以交互的方式快速检查违规错误位置。

4. HypeLynx/Polar 阻抗计算结果计较

对于有阻抗控制要求的板，目前，PCB工厂比较常见的做法就是在PCB的生产拼版板边适当位置设计一些阻抗试样，这些阻抗试样具有与PCB相同的分层和阻抗线构造。在设计阻抗试样前会预先采用一些阻抗计算软件对阻抗进行模拟计算，以便对阻抗进行预测。其中英国POLAR公司开发计算软件自1991年起已经为许多PCB制造商所使用，而且操作简单、具有强大的功能计算能力。经常有用户将Polar的计算结果与HyperLynx的结果比较，然后得出两者有差异的结论。其实，这还是个设置的问题。我们用一个百度经验贴吧里面的一个实例介绍设置方法。

上图中标识出了两个软件中叠层参数的对应关系，相信你也注意到了二者计算出来的阻抗有6%的差异。

这个差异是如何导致的呢？

我们首先想到的是截面梯度，按照上文所述的方式，在stackupeditor中开启梯度计算，并按照上面W/W1的比例关系将梯度设置为0.9。我们发现，不设置梯度，阻抗为52.6ohm，设置梯度，阻抗为53.7ohm，误差为1.1ohm，1.9%，远远小于通常工艺误差10%。

梯度不是带来差异的主要原因，我们注意到Polar这个计算样例应该是一个共面波导。而在stackup editor中是不显示共面波导的计算结果了。这个计算是包括在HyperLynxSI General Batch Wizard和HyperLynx DRC的阻抗检查里面的。

我们可以通过在HyperLynx Linesim搭建一个三线耦合结构来模拟共面波导，测试HyperLynx的计算结果。我们以中间TL2为测试对象，TL1，TL3的宽度设置为100mil来模拟共面波导中与传输线同层的参考平面，将间距设置为与Polar计算样例separation参数一致的8mils。我们注意到此时，软件给出TL2的阻抗为51.1ohm，相较Polar样例中的50.33ohm，差异为0.77ohm。