高速電路開發(fā)中有哪些挑戰(zhàn)？

1.      引言

隨著嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展，高速電路的開發(fā)面臨器件尺寸縮小、時鐘頻率提升、布線密度增加等因素，嵌入式產(chǎn)品在信號傳輸、電源質(zhì)量等問題上要求日益提高。為確保高速電路在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的可靠性，必須采用先進的可靠性技術(shù)。

武漢萬象奧科學(xué)習(xí)易瑞來殷老師可靠性相關(guān)課程與經(jīng)驗，以更好的應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

2.      高速電路開發(fā)的挑戰(zhàn)

由于產(chǎn)品和器件的尺寸不斷縮小，器件的時鐘頻率越來越高，信號邊緣速率也越來越快，導(dǎo)致高速電路問題日益突出?，F(xiàn)在IC的集成規(guī)模越來越大，管腳數(shù)量越來越多，單板上布線的密度不斷加大，IC的電源電壓逐漸降低、電流逐漸加大，功耗越來越大。

以上幾個方面就是現(xiàn)代高速電路開發(fā)的最新挑戰(zhàn)，對設(shè)計者的可靠性設(shè)計水平提出了更高的要求。

高速電路中的器件參數(shù)不一致，或發(fā)生飄移，使得整個電路的性能逐步降低，直至功能完全喪失。也可能產(chǎn)生過電應(yīng)力或降額不足，使器件失效。SI問題的隱蔽性較大，往往在出廠前無法測試或通過老化篩選出問題，帶來可靠性隱患。

可靠性設(shè)計主要就是解決產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)出現(xiàn)的品質(zhì)問題，既可以解決產(chǎn)品性能退化的問題，也可以解決器件失效的問題?？煽啃约夹g(shù)在高速電路中的應(yīng)用主要有最壞情況數(shù)字電路時序容差分析、串?dāng)_分析和電源完整性技術(shù)等。

3.      高速電路可靠性問題

高速電路引起的可靠性問題主要有以下5個方面：

• 信號傳輸延時逐步加大，造成時序失效。

• 信號波形失真逐步加大，造成信號讀取錯誤。

• 信號之間的串?dāng)_逐步加大，產(chǎn)生誤碼或程序運行錯誤。

• 電源質(zhì)量和地彈逐步變壞，影響器件的正常工作。

• EMC指標(biāo)逐漸超過要求。

4.      高速電路設(shè)計的可靠性技術(shù)

解決上述5個方面的問題，個人認為可以采用以下3種可靠性技術(shù)來解決：

1)    運用最壞情況分析（WCCA）方法，進行數(shù)字電路時序分析，使傳輸線延時、波形失真等在整個生命周期內(nèi)不超過要求，保證高速數(shù)字電路的正常邏輯連接。

以前的電路板運行速度較低，因此很少有時序問題，現(xiàn)在的器件速度越來越快，時鐘周期為納秒級，傳輸走線延時的影響十分突出，已影響到器件能否正常工作，必須分析最壞情況下的時序參數(shù)。

數(shù)字電路時序容差分析主要是分析數(shù)字電路間的時序關(guān)系，即分析時序余量是否滿足要求。

為了分析該電路的時序容差情況，主要考慮三個方面的因素：器件本身的時序參數(shù)容差、PCB布線產(chǎn)生的時序容差、其他干擾產(chǎn)生的時序容差。

器件本身的時序參數(shù)容差分析主要是檢查輸出器件端口的時序參數(shù)是否滿足輸入器件端口的時序參數(shù)要求。并且對器件的時序參數(shù)按最壞情況考慮，不是按一般的典型值進行分析。

PCB布線產(chǎn)生的時序容差分析主要是分析器件端口模型、傳輸線拓撲、終端匹配、負載數(shù)量等在最壞情況下，采用信號完整性（SI）仿真工具，分析傳輸信號延時和波形，得出對時序的影響。

其他干擾產(chǎn)生的時序容差分析主要是分析電源輸入、電源平面諧振特性、同步開關(guān)噪聲、串?dāng)_等對信號時序的影響。

時序參數(shù)中最關(guān)鍵的是建立時間和保持時間兩個參數(shù)。如下圖，是某DDR存儲器的地址、控制、命令信號的保持時間要求，對其中的每個參數(shù)都要分析得到它們的最壞情況值，然后代入公式中得到容差值，如果大于0，表示容差滿足要求，如果小于0，表示容差設(shè)計不足，需要重新設(shè)計。

2)     運用仿真和實驗相結(jié)合的方法，準(zhǔn)確分析出串?dāng)_源和耦合途徑。

串?dāng)_是PCB設(shè)計時必須關(guān)注的可靠性問題。由于被干擾信號上產(chǎn)生的脈沖或毛刺等多是半高電平，在CMOS信號的閾值附近，這樣造成的串?dāng)_問題有很大的隨機性，很多不能在出廠前測試出來，在市場上也是時有時無，返修產(chǎn)品有時候很難重復(fù)失效現(xiàn)象，分析起來非常困難，這些都是典型的可靠性問題。

串?dāng)_分析的方法推薦使用仿真和實驗相結(jié)合的方法，既減少實驗次數(shù)，又分析得比較全面。比如在分析一個串?dāng)_問題時，有些工程師認為是感性串?dāng)_，有些認為是容性串?dāng)_，有些認為是地彈噪聲。

我們知道，感性串?dāng)_和容性串?dāng)_的相同點是：串?dāng)_在遠端為短脈沖，近端為長信號。不同之處是：前向感性串?dāng)_和前向容性串?dāng)_的極性相反（如下圖），感性串?dāng)_產(chǎn)生的是噪聲電壓信號，是串接在被干擾導(dǎo)線上的，而容性串?dāng)_產(chǎn)生的是噪聲電流信號，是并接在被干擾導(dǎo)線和地之間的，也就是說，感性串?dāng)_隨負載增大而減小，容性串?dāng)_隨負載增大而增大。可利用這兩點來辨別容性串?dāng)_和感性串?dāng)_。如果完全用實驗的方法，那么要用很多的單板來進行割線、飛線、焊接器件等，做多次實驗，但是用仿真的方法就方便經(jīng)濟得多了，而且?guī)缀蹩梢韵朐趺醋鼍驮趺醋觥?

在PCB電路仿真中，把被串?dāng)_線負載電阻減小10倍時，串?dāng)_馬上顯著減小?？梢娊档蛯Φ刈杩箍蓽p小串?dāng)_大小，這是容性串?dāng)_的特征。

另外我們?nèi)サ粼诖當(dāng)_源和被串?dāng)_信號線中間的一塊灌銅地平面，提取出電路的仿真模型，在HSPICE中再次仿真，發(fā)現(xiàn)串?dāng)_顯著增加。這也是容性串?dāng)_的一個證明。注意，這種方法是不能通過實際測試驗證的，只能通過仿真來分析。

同時通過實際測試發(fā)現(xiàn)，串?dāng)_源的正跳變在被干擾信號線上對應(yīng)為正的串?dāng)_信號，負跳變在被干擾信號線上對應(yīng)為負的串?dāng)_信號。

綜上所述，根據(jù)上述串?dāng)_形式判別方法，再通過上面幾點的仿真和實測結(jié)果，能肯定該串?dāng)_為容性串?dāng)_占主導(dǎo)。最后針對容性串?dāng)_的特點，減小負載電阻，降低了串?dāng)_，電路恢復(fù)正常。

3)     運用電源完整性（PI）方法，分析電源輸出濾波電路和電源平面設(shè)計，保證整個生命周期內(nèi)的電源都符合要求。

隨著信號頻率的增高和高速系統(tǒng)單板布線越來越密集，無噪聲的電源分配成為了PCB設(shè)計的一個主要挑戰(zhàn)。當(dāng)高速集成電路I/O端口同時改變狀態(tài)時，通過電源分配系統(tǒng)（PDS）的紋波噪聲隨頻率的變化而變化，這個噪聲既影響高速設(shè)備系統(tǒng)中的IC工作，同時干擾周圍的環(huán)境。

為了確保良好的電源分配，電源分配阻抗必須在一個很寬的頻率范圍內(nèi)控制在一個要求的目標(biāo)阻抗下。這可以通過在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)仔細的考慮開關(guān)電源，大電容，陶瓷電容以及電源/地平面對等等來實現(xiàn)。陶瓷電容一般作去耦用，在邏輯開關(guān)時給需要大電流的驅(qū)動器件提供本地補償。

上圖顯示了在控制電源分配系統(tǒng)（PDS）目標(biāo)阻抗時各個頻率范圍內(nèi)哪種器件是最有效的。

可以看出電源完整性工作主要有：確定目標(biāo)阻抗和選擇合適的PDS組成部分。

確定目標(biāo)阻抗主要是根據(jù)SSN（SimultaneousSwitching Noise 同步開關(guān)噪聲）來計算動態(tài)電流，然后根據(jù)電源變化的要求（一般為 3－5％），計算出目標(biāo)阻抗。這個時候也必須根據(jù)可靠性設(shè)計規(guī)律，考慮最壞情況下的動態(tài)電流，所以我們一般是假定所有I/O口同時切換，而且每個端口的輸出電流都取最大值。而電源變化的要求則需要取最小值。

對于PDS的各個部分，特別是電解電容和陶瓷電容，必須考慮器件的容差，因為電容的來料精度一般比較差，20％精度的電容最常使用。同時電容容值受溫度、濕度、氣壓以及壽命的影響也很顯著。我們分析過，考慮上述因素后，電容的容值最大可以變化1倍以上。而且電容內(nèi)部的分布參數(shù)（如ESR、ESL）都有很大容差。所以在PI分析中對電容參數(shù)也要選擇多個參數(shù)分別分析，得出最壞情況下的PDS阻抗曲線。如下圖所示。

可以看出，用可靠性技術(shù)來分析電源完整性，不僅要分析典型值下的PDS系統(tǒng)阻抗特性，同時要根據(jù)器件在最壞情況下的參數(shù)容差，分析PDS的極限阻抗特性，達到在整個生命周期內(nèi)，電源對產(chǎn)品都不會引起可靠性問題。