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大数据时代，无论是数据中心的产品、还是汽车和工业设备，甚至是我们日常使用的消费电子产品，它们的信号速率都在迅猛攀升。看看下面这张图，PCIe6.0的速率已经达到了64Gbps，USB4达到了40Gbps，并行总线DDR5也达到了惊人的6.4Gbps，同时，高速总线的调制模式也从以往的NRZ发展到了PAM4甚至更高阶的调制技术。还有一些新型总线的出现，比如CCIX, GenZ，CXL等等。这些变化给工程师们带来了前所未有的挑战。如何提高PCB设计的成功率以及设计的效率成为了工程师们的关键工作。而能够减少返工引起的延期以及成本消耗的高速链路仿真越来越受到大家的重视。
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
不管是在信号完整性中，还是电源完整性中，对于很多器件，包括芯片的封装、传输线、过孔、连接器、线缆、电容等无源器件都会应用 S 参数来表征其特性，对于一个完整的通道就需要对很多个 S 参数进行级联，在 ADS 中可以非常方便的级联各类 S 参数，并非常灵活的进行 S 参数仿真以及数据的处理。
对于单一的 S 参数，也可以在 ADS 中直接通过 S 参数查看器（S-parameter Viewer），检查 S 参数的单端和混合模式的结果，在 S 参数查看器中，还可以检查 S 参数的无源性、互易性、相位以及 Smith 图。通过 S 参数仿真之后，在数据显示窗口，可以查看结果曲线，也可以进一步处理数据，加入规范模板等等。
S参数仿真可以帮助工程师分析在通道在频域中的插入损耗（insertion loss）,回波损耗（Return loss）、串扰（crosstalk），等等。
二、瞬态仿真器(Transient)
瞬态仿真器经典的时域仿真器。瞬态仿真器可以分析TDR，波形上升/下降(Waveform rising/falling)，振铃(ringing)以及眼图(eye pattern)等指标参数。在瞬态仿真中可以把芯片IO模型(SPICE或IBIS)与通道模型一起进行仿真。
三、通道(Channel)仿真器
对于高速串行总线，通常对误码率有比较严苛的要求，要求误码率非常低，所以不管是仿真还是测试，都需要有足够多的采样点数或者特殊的数学算法才能满足分析误码率的要求。另外，随着信号速率的不断提高，单纯的依靠芯片的简单的驱动能力无法应对信号在传递过程中的衰减，所以在高速串行总线的芯片中就会加入加重和均衡的算法，对于仿真而言，也需要有新的分析方法，这就需要使用ADS 中的通道仿真（ChannelSim），通道仿真完成之后，可以在数据显示窗口上查看波形、浴盆曲线、眼图等结果。
IBIS-AMI或者行为级IO模型可以用在通道仿真器中。如果需要建立IBIS-AMI模型，可以使用是德科技的系统仿真软件SystemVue以及ADS。
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/PIPro 仿真分析工具，可以帮助工程师快速高效地完成 PCB 设计中信号与电源完整性的版图布局分析和版图后仿真。
SIPro/PIPro 是内嵌于 ADS 版图设计环境中的功能模块，它包含独立的仿真界面及仿真器， 可以对版图设计进行分析。目前，ADS 版图支持多种不同格式的设计文件导入，如 ODB++，Gerber，IFF, EGS，Allegro Brd等类型的文件。
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，落在 IC 电源端的电压可能低于建议的最低电压。这可能导致 IC 的故障。过高的电流密度在过孔处会生成过多的热量，引起电路板裂开或烧化，导致故障。PI-DC 可以计算直流条件下的电压、电流、IR Drop (电压降)及电源供电网络的功率损耗密度等。PIPro 可以帮助工程师用户识别芯片等器件的管脚和连接过孔等在直流工作条件下流过的电流密度，显示芯片管脚电压，并给出设计裕量。仿真结果还可以自动生成报告。
2. PI-AC，用于 PDN 阻抗分析
PI-AC 分析用于提取电源分布网络（PDN）的交流阻抗特性，并且可以显示电流密度，了解热点区域。提取的阻抗网络可以直接转化为 ADS 的原理图，与电压调节模块（VRM）模型和去耦电容进行优化。
PI-AC 分析允许在仿真中添加元件模型，如去耦合电容模型。软件支持多种元件模型形式，如理想集总元件，S 参数模型，元器件厂家模型库，自定义电路模型等。用户可以一次为同一个元件定义多种模型，可以方便地在多个模型间进行切换。
PI-AC 分析可以一次分析任意多个指定的电源网络，仅更换元件模型时不需要重复进行电磁仿真。便可获得新的结果。
3. PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于电源平面谐振分析
电源平面谐振会干扰敏感的模拟电路，并生成过量的辐射。这可能导致设计不能满足EMC 规范。电源平面谐振分析可以计算配电网络(PDN)的自谐振频率和相应的Q 值。它可以帮助你实现去耦电容和过孔的优化布置。
4. 用于电热联合仿真的Electro-Thermal以及热仿真分析Thermal
电源完整性分析中还集成了电热仿真功能，能够实现电/热协同仿真。电源完整性仿真引擎(DC Drop)对电源网络进行仿真，提供功率密度给热分析器，热分析器再根据器件功耗运行热分析，系统多次迭代上述过程，获取更新后的温度值直到仿真收敛。
5. Power-Aware Signal Integrity Analysis——用于与电源相关的信号完整性分析
在高速电路信号完整性设计中，信号电流的最短回流不经不仅包含地平面，还往往包含电源平面。如果在提取信号走线 S 参数时，仅考虑参考地平面，不考虑电源平面，仿真的结果会有很大的误差。SIPro 使用独有的混合算法，可以快速提取信号走线（包含过孔）与地平面和电源平面的频域模型。这一频域模型可以直接转换成 ADS 的原理图，用于电路仿真，如时域瞬态（Transient）仿真，通道（Channel）仿真， DDR 总线仿真等。
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/PIPro的仿真速度比传统平面或3D电磁场仿真器提高10倍以上，同时其仿真精度也非常高，能够达到与3D有限元法相媲美的水平。SIPro/PIPro用户界面友好，简化了仿真流程，还能方便生成ADS原理图进行电路分析。支持仿真非规则结构和便捷设置Back drill过孔，同时允许用户自由设置信号、电源端和参考端。此外，SIPro/PIPro提供Python接口，使电容模型库管理更加便捷。仿真后SIPro/PIPro 还可以生成 test bench，以便在 ADS 原理图中做进一步的电路分析。总体而言，该软件为电路设计师提供了高效、精准、灵活的仿真工具，极大地提升了设计效率。
由于篇幅所限，关于SIPro/PIPro的更加具体介绍以及操作请参考以下文档：☛ SIPro/PIPro 简介
白皮书预览
二、EP-Scan电气性能扫描软件
SIPro/PIPro功能强大，更适合专业的信号完整性分析师使用。然而，在设计阶段，硬件工程师或者PCB设计工程师或者测试工程师也需要考虑到信号与电源完整性问题，为了快速检测布线后系统的电气性能，让硬件工程师们能够及时发现初级的SI或者PI问题，是德科技还推出了EP-Scan（Electrical Performance Scan）电气性能扫描软件，有了它，硬件相关的工程师只需简单的操作，就能进行快速扫描，查看信号的电气特性，找出潜在的信号完整性问题。
当然，对于更复杂的信号完整性分析，依然需要SI工程师们的专业知识和技能，通过使用SIPro/PIPro进行深入的分析和仿真来解决。
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.加载设计和设置。使用EP-Scan，我们可以轻松加载PCB Layout设计或导入ODB++文件。然后，我们选择特定的网络进行分析，更棒的是，我们还能为这个网络设定测试计划，并选择相应的电器规范（EP-Scan内置了一些电器规范，如PCIE、USB、DDR等），然后根据相应的电气规范对阻抗、延时、插入损耗和回波损耗等指标进行分析。
2.进行电气性能扫描。这个步骤非常简单，只需轻轻按下一个按钮，就能一键运行所有的测试计划。此外，每当我们对设计进行修改时，我们可以再去自动运行EP-Scan里面事先设定好测试计划，以便轻松检查信号完整性问题。这样，我们可以在修改后立即获得反馈，确保设计的稳定性和可靠性。
3.生成报告和存档。在完成信号完整性分析后，EP-Scan可以一键生成详细的报告。这个功能极大地简化了结果的展示和存档过程，避免了繁琐的复制粘贴工作。我们可以轻松地分享分析结果给团队成员或管理层，并记录下设计的进展和改进。这样，我们能够保持透明的沟通和高效的工作流程。
通过这三个简单的步骤，EP-Scan为硬件工程师提供了方便、高效的工具，简化了分析流程，节约时间和精力。它突破了性能验证瓶颈，让您专注于设计的优化和改进，更快地将产品推向市场。
EP-Scan 生成的测试报告
以上我们简要介绍了大数据时代对高速PCB设计提出的挑战，并阐述了如何借助ADS和EPScan这两个工具提高设计工程师的效率。然而，大数据时代的到来不仅对高速PCB设计提出更高的要求，同时为其提供了更优越的协同工作环境。云计算技术成为这一时代的一项极为有效的工具，尤其在工程中迫切需要迅速生成仿真报告的情况下。释放计算资源的算力，充分利用仿真工具变得至关重要。ADS的HPC（High Performance Computing）加速服务大大提高了工程计算效率，使得我们能够在最短时间内获取仿真结果，从而有助于提高工程产出。此外，通过使用Cliosoft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，实现多地协同设计。这种协同方式极大地加速了设计流程，提高了团队协作的效率。
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