交叉信号

作者:Fabio Bauman,Smart Modular Technologies研发专家,巴西Atibaia

Smart Modular Technologies的工程师利用ANSYS Electronics Desktop平台将高速印刷电路的信号完整性分析时间从几天缩短到几小时。通过使用统一的电磁、热和结构仿真,工程师研发出一款可靠的适配器。

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PCB electric field simulation

“SmartM工程师通过部署ANSYS Electronics Desktop中推出的布局驱动的装配体工作流程,缩短了适配器的仿真时间。”

electric field PCB simulation

横截面上的电场分布

 

Smart Modular Technologies(SmartM)是一家行业领先的动态随机存取存储器(DRAM)、闪存和混合存储器技术制造商。该公司需要研发一款SO-DIMM-to-UDIMM(小型双列直插内存模块至非注册双列直插内存模块)适配器,使测试平台能够用于两种类型的模块。经过安装后,第一个版本的适配器不工作,工程信号师怀疑是信号完整性问题。在过去,为诊断具体问题,首先工程师需要在能够处理复杂布局的2.5-D EM仿真器中仿真整个电路板,然后将S-参数结果传输到3-D全波仿真器,以提供关键集成电路(IC)封装和印刷电路板(PCB)所需的高分辨率。

最后,研发团队会使用联合仿真中获得的S-参数数据,利用电路仿真器运行线性网络分析。这种方法非常耗时;工程团队必须运行两三种不同的软件套件,同时操作多个数据导出/导入步骤。而且每次设计迭代都需要重复此过程。

SmartM工程师与ANSYS渠道合作伙伴ESSS合作,部署了ANSYS 18版ANSYS Electronics Desktop中推出的布局驱动的装配体工作流程,从而将适配器的仿真时间缩短至几小时。该方法结合采用多个求解器,包括针对复杂PCB的ANSYS SIwave、针对连接器和关键布局网络的ANSYS HFSS以及统一平台中的电路仿真器,这样软件能够自动提取完整通道的S-参数。仿真显示,三条信号迹线上存在串扰和阻抗不匹配,其会影响眼图开口、抖动和误码率问题。SmartM工程师利用这些仿真结果确定问题来源,并修改电路板设计以缓解这些问题。此外,他们还利用ANSYS IcepakANSYS Mechanical验证电路板的热完整性和抗热-机械应力的能力。

SmartM SO-DIMM
SmartM SO-DIMM
SmartM SO-DIMM
SmartM UDIMM
eye diagram original design
初始设计的眼图
eye diagram final design
最终设计实现了张开度更大的眼图,符合DDR4规范。

严峻的信号完整性问题

在高数据速率和低电压裕度条件下,信号完整性已成为印刷电路板设计人员面临的一个紧迫问题。在这种情况下,电路板通过了自动存储器检测器的测试,这就会让工程师强烈怀疑信号完整性(而非存储器)才是问题的根源。SIwave仿真显示多条信号和始终迹线上存在串扰和阻抗不匹配。接下来,工程师检查每条字节通道,都显示为闭合眼图。

在最初的设计中,信号和时钟层接近PCB核心,在它们的上面和下面有几个分离的电源层和接地层。SmartM工程师改变了这种堆叠结构,以避免迹线穿过电源–接地间断处发生阻抗变化等问题。他们将接地层直接放在信号层的上面和下面,以改善返回路径。将电源分配到顶层和底层,并且把慢速网络和电源网络移动到底层,在内部信号层上只保留关键存储器数据网络和时钟信号。此外,工程师还进行了层厚度实验,以优化信号层的阻抗。有些迹线被重新布线,以避免相同层上的迹线之间出现串扰。

工程师再次运行阻抗和串扰仿真,以检查新设计的效果。眼图中的裕量明显大于初始设计,说明已经解决了信号完整性问题。DDR4 JEDEC JESD79-4标准虚拟合规性测试确认新设计超出了DDR4裕量。

热完整性

接下来,工程师继续分析新设计的热完整性。他们使用SIwave计算PCB中的DC电流、压降和功耗,并利用相关结果计算焦耳热。由于电路板尺寸缩小而功耗保持不变甚至不断增加,因此焦耳热正日渐成为PCB中热载荷的重要来源。自动双向工作流程帮助团队将电路板迹线图和电流密度预测结果导出至ANSYS IcepakIcepak计算电路板中每个点的温度,并自动将信息传送回Electronic DesktopSIwave根据温度场、重新计算的电路板迹线图和电流密度来更新DC解决方案的电气属性。自动迭代过程一直进行到温度收敛为止,显示了最差情况下温升仅为12摄氏度。

PCB mechanical stress simulation

ANSYS Mechanical计算得到的机械应力

 

结构耐用性

工程师还考虑了PCB到SO-DIMM连接器之间的机械连接耐用性。他们使用ANSYS SpaceClaim创建了一个结构模型,以读取ECAD几何模型,并将其转换为固体几何层。他们使用ANSYS Mechanical将固体层离散化为单元网格。为表示ECAD几何模型的详细信息,工程师根据每个单元适用的金属和电介质比例为每个单元分配相应的材料属性。最终生成的有限元模型能够精确预测电路板任意位置上由于热或机械载荷造成的应力、应变和变形,所需时间仅为求解详细电路板几何模型时的几分之一。ANSYS Mechanical计算得到的应力图显示,连接器能在预期寿命内可靠工作。

鉴于现代化电子系统的高性能和可靠性要求,工程师应密切关注PCB设计。满足信号完整性要求通常需要非常具体的布局,而通过试错法难以实现。PCB的电磁、热和结构仿真有助于快速满足当今的高速接口标准要求。一系列多物理场工具的无缝集成使工程师首次能够在产品研发早期的各个设计阶段仿真整个PCB的信号完整性、热完整性和机械完整性。在这个项目中,SmartM能够在适配器进入市场前非常快速地针对工程需求研发出量身定制的内部解决方案,而且成本比从供应商处购买适配器还要低60%。同时,SmartM将构建物理原型所需的时间和成本降低了50%。

PCB thermal simulation

ANSYS Icepak计算得到的PCB温度

 

Smart Modular Technologies得到了ANSYS精英渠道伙伴ESSS的大力支持。

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