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中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号
背景
根据汽车工业协会发布的中国汽车销售数据显示，自2009年中国的汽车总销量首次登上世界第一的宝座之后，中国已经成为了世界上最大的汽车生产地和销售市场。
在中国汽车市场高速發展与汽车销售不断提升的同时，中国汽车产业的另一端——车载音响市场也在飞速发展。随着现代化电子技术的提高，车载音响也伴随着DVD、GPS导航、CMMB、Pandora等新功能的加入，正在向着高质量、多样化、功能集约化的多媒体系统领域迈进。如今，由于人们消费水平的日益提高，消费者对车载音响的要求也越来越高，消费者在车载音响上的消费从感性转向理性，开始追求由纯听觉的CD享受产品向视听、导航等多媒体享受产品“升级”的高品质消费。曾经被视为高端配置的车载导航影音产品如今成为市场上炙手可得的主流产品。市场需求的快速增长，促使着车载导航影音的技术飞速发展，产品更新换代愈来愈快,这也对车载音响设计者们提出了更高的要求。
在以往车载音响的系统设计中， PCB板上的最高时钟频率在30~50MHz已经算是很高了，而现在多数PCB的时钟频率超过100MHz,有的甚至达到了GHz数量级，高速PCB设计已经成为车载导航设计的一个重要环节，信号完整性(Signal Integrity，SI，常见的SI问题包括反射、串扰、延迟、振铃、地弹、开关噪声、电源反弹、衰减等)问题也逐渐发展成为高速PCB设计中难以避免的难题。若不能很好地解决信号完整性设计问题，将有可能造成高速PCB设计的致命错误，导致产品开发延迟，功能质量不过关等严重后果。为保证高速PCB设计中信号完整性，设计与仿真分析并行展开的设计方式被越来越多的设计者所采用。在设计过程中融入仿真分析，能较好地解决SI问题，缩短设计周期的同时更保证了产品的质量。目前国内外针对高速PCB设计中进行SI仿真分析的软件有很多，如Cadence Allegro 、Mentor PADS、Zuken Lightning等等都支持SI仿真，且功能强大，为基于SI的高速PCB设计提供了有利条件。这对于高速PCB设计者来说，能熟练掌握SI理论知识和仿真分析方法，以及灵活运用仿真软件在实际设计中提出SI问题的解决方案，都具有非常重要的意义。
Lightning 软件简介
Lightning是新一代的功能强大的高速电路SI/EMC/EMI系统分析软件包。在ZUKEN公司CR-5000系统统一的数据库基础上，Lightning以其独特的工程化原型解决方案,通过整个设计过程当中一致的智能化约束条件设置管理器Constraint Manager 向设计师提供一个工程化的虚拟原型设计环境,它将整个设计过程和设计项目当作一个综合的并行工程考虑,可以进行设计初期的器件选择、关键网络拓扑分析、端接匹配网络优化、各种关键参数设置与仿真验证，帮助设计师做出科学合理的选择和设计折中，在虚拟的原型设计环境中，前端仿真分析将后端物理实现的诸多因素考虑其中，得出指导后续物理设计的规则和约束条件。Lightning在设计的布局、布线过程中遵循前端仿真分析中得出的各种约束，对完成布局布线的PCB可以快速地进行诊断扫描，找出存在的问题并给出优化解决方案。它综合了从原理图到PCB的整个设计过程的前端仿真分析、后端仿真验证，确保设计师快速、准确、高效、高质量地完成高速电路系统设计。
车载导航PCB设计流程
车载导航板是主要是以BGA型NAVI芯片为核心、搭载DDR2 SDRAM存储器的的高频网络模块。工作时有大量的数据在两者之间高速传输，数据速率最高达几百Mb/s，数据窗口非常短。这个网络是整个PCB板的核心，也是导航设计中的重点部分。简单介绍一下车载导航PCB的设计流程：
1.系统的需求分析与整体构思。
2.功能区域的划分、原理图的设计、关键网络的资料准备等等。
3. PCB板的初期构想工作：PCB板层结构预设定，各功能模块在板内的Layout，重要网络的布局布线，以及PCB在产品中的外形构造数据检讨等等。
4.设计开始初期就可应用Lightning软件进行前端仿真：进行设计初期的器件选择、关键网络拓扑分析、端接匹配网络设定、PCB的叠层结构分析，信号线特性阻抗的设定等工作；通过仿真结果的反馈，充分分析和把握原理图的正确性，相关参数的设定为PCB物理设计提供可靠的规则和约束条件。
5. PCB板内设计，利用ZUKEN CR5000软件进行完成各元器件的布局与网络的布线。
6.应用Lightning软件进行的后端仿真：抽取已经完成PCB物理设计的关键网络的拓扑结构图，进行仿真验证。
如图1所示，从设计开始到结束，仿真解析工作与整个系统设计是并行开展的。基于Lightning应用的仿真解析工作分为：前端仿真分析和后端仿真验证两个部分。
应用Lightning进行前端仿真
1.关键网络拓扑结构建模
不同的走线拓扑结构对信号的传输影响很大，在理论检讨阶段就对关键网络进行拓扑结构（菊花链形/Star形/Tree形）检讨，应用Lightning软件针对DDR网络进行拓扑结构模型建立，进行仿真分析，选择最优的方案，应用的实际设计中。如图2所示，我们主要可以建立以下3种常见的拓扑结构模型进行仿真分析。
2.设置并仿真验证PCB的规则和条件
设定CLK、Data数据组，及Address/Command等关键网络的最大最小阻抗、最大允许串扰值、最大过冲和欠冲值、差分对设定、匹配对设定、总线设定等各项PCB设计的相关参数。接下来的PCB物理设计就会依照这些前端的设定和约束进行。如图3中，在Constraint Manager中设定了所有网络的最小阻抗为50欧姆，最大阻抗为80欧姆，最大串扰为300mv，最大过冲为300mv，最大的信号偏移为300ps等。
3.规则关键网络元器件布局
Lightning具有智能化的自动布局算法，将布局与布线融为一体,为设计人员节约设计时间。如图4所示，在移动或放置一个元器件时，系统会自动提示此元器件放置的最佳位置，并在布局中实时遵循关键网络的时序要求。当然，以软件提供的数据为参照，设计者也可凭借自身的理论知识和设计经验为基础进行手动设计。
4.特性阻抗的计算
当PCB设计的各项参数设定以后，在Lightning中可以精确的计算出每一根网络的特性阻抗，如图5所示。线条的宽度影响特性阻抗的大小，所以设计者要充分考虑关键传输线的阻抗及延时等的影响，在车载导航PCB设计中，设定传输线特性阻抗值标准为：差分信号Zo≒100Ω，其他信号Zo≒50Ω。
5.差分对布线和差分阻抗计算
在Lightning中设定具有差分布线属性的网络，然后将这些网络锁定。完成布线的差分网络可以进行仿真验证，如图6所示，还可以基于实际布线计算差分阻抗值Zdiff。
应用Lightning进行后端仿真
1.快速诊断扫描PCB板
在PCB物理设计100%(或重要部分)完成后，Lightning可以从PCB上抽取实际的布线信息，可以检查诸如阻抗特性、串扰、信号失真、信号延时、信号单调性、信号过冲/欠冲等SI参数。直观的表格报告中，绿、橙、红三种颜色分别代表满足要求、警告、犯规，如图7所示。
2. 抽取关键网络拓扑结构图与仿真验证
应用Lightning可对已完成PCB物理设计的关键网络抽出拓扑结构图，也可以根据设计者的经验，手动画出拓扑结构图，两种方法都可以完成拓扑结构图的建立。如图8示为抽取出的地址线的仿真拓扑结构图。抽出拓扑结构图后，将设计要求的频率设置为动端的仿真解析频率进行最后的仿真验证，如图9为地址线的仿真波形图，若仿真结果不理想，需要针对结果进行分析，再对电路设计及PCB设计重新进行检讨和优化。
3.问题网络分析与端接网络选择
除了表格式的报告以外，还可以启动仿真器直接观察有问题网络线的波形结果。仿真结果不理想的情况，设计者需根据电路的实际情况，可选择加入端接网络（串联匹配/并联匹配/戴维宁式匹配/并行AC匹配/肖特基并联匹配）进行电路优化，重新仿真至满足系统要求。例如图10所示的MCLK1信号，从表格式报告看出最大的一阶过冲为2684mv，对它进行基于布线结构的仿真分析，波形结果和表格报告结果完全一致。通过电路的分析，选择在MCLK1的驱动端加入串联电阻的匹配方式，并对此串联电阻阻值优化。范围选在0到150欧姆，当以降低信号的最大过冲为特征目标时，得出在R=40欧姆时，信号的过冲已经降到最低，其对应的整个网络的仿真结果如图11所示，可以看出，优化后的信号SI特性已经得到改善。
结语
本文主要介绍了在现代车载导航PCB设计过程中，基于电磁学的定量分析工具Lightning解决高速PCB设计中的SI问题，实践证明这种高速电路设计解决方案是可行的。希望本文的设计思路及Lightning功能介绍能对大家的设计有所帮助。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
背景
根据汽车工业协会发布的中国汽车销售数据显示，自2009年中国的汽车总销量首次登上世界第一的宝座之后，中国已经成为了世界上最大的汽车生产地和销售市场。
在中国汽车市场高速發展与汽车销售不断提升的同时，中国汽车产业的另一端——车载音响市场也在飞速发展。随着现代化电子技术的提高，车载音响也伴随着DVD、GPS导航、CMMB、Pandora等新功能的加入，正在向着高质量、多样化、功能集约化的多媒体系统领域迈进。如今，由于人们消费水平的日益提高，消费者对车载音响的要求也越来越高，消费者在车载音响上的消费从感性转向理性，开始追求由纯听觉的CD享受产品向视听、导航等多媒体享受产品“升级”的高品质消费。曾经被视为高端配置的车载导航影音产品如今成为市场上炙手可得的主流产品。市场需求的快速增长，促使着车载导航影音的技术飞速发展，产品更新换代愈来愈快,这也对车载音响设计者们提出了更高的要求。
在以往车载音响的系统设计中， PCB板上的最高时钟频率在30~50MHz已经算是很高了，而现在多数PCB的时钟频率超过100MHz,有的甚至达到了GHz数量级，高速PCB设计已经成为车载导航设计的一个重要环节，信号完整性(Signal Integrity，SI，常见的SI问题包括反射、串扰、延迟、振铃、地弹、开关噪声、电源反弹、衰减等)问题也逐渐发展成为高速PCB设计中难以避免的难题。若不能很好地解决信号完整性设计问题，将有可能造成高速PCB设计的致命错误，导致产品开发延迟，功能质量不过关等严重后果。为保证高速PCB设计中信号完整性，设计与仿真分析并行展开的设计方式被越来越多的设计者所采用。在设计过程中融入仿真分析，能较好地解决SI问题，缩短设计周期的同时更保证了产品的质量。目前国内外针对高速PCB设计中进行SI仿真分析的软件有很多，如Cadence Allegro 、Mentor PADS、Zuken Lightning等等都支持SI仿真，且功能强大，为基于SI的高速PCB设计提供了有利条件。这对于高速PCB设计者来说，能熟练掌握SI理论知识和仿真分析方法，以及灵活运用仿真软件在实际设计中提出SI问题的解决方案，都具有非常重要的意义。
Lightning 软件简介
Lightning是新一代的功能强大的高速电路SI/EMC/EMI系统分析软件包。在ZUKEN公司CR-5000系统统一的数据库基础上，Lightning以其独特的工程化原型解决方案,通过整个设计过程当中一致的智能化约束条件设置管理器Constraint Manager 向设计师提供一个工程化的虚拟原型设计环境,它将整个设计过程和设计项目当作一个综合的并行工程考虑,可以进行设计初期的器件选择、关键网络拓扑分析、端接匹配网络优化、各种关键参数设置与仿真验证，帮助设计师做出科学合理的选择和设计折中，在虚拟的原型设计环境中，前端仿真分析将后端物理实现的诸多因素考虑其中，得出指导后续物理设计的规则和约束条件。Lightning在设计的布局、布线过程中遵循前端仿真分析中得出的各种约束，对完成布局布线的PCB可以快速地进行诊断扫描，找出存在的问题并给出优化解决方案。它综合了从原理图到PCB的整个设计过程的前端仿真分析、后端仿真验证，确保设计师快速、准确、高效、高质量地完成高速电路系统设计。
车载导航PCB设计流程
车载导航板是主要是以BGA型NAVI芯片为核心、搭载DDR2 SDRAM存储器的的高频网络模块。工作时有大量的数据在两者之间高速传输，数据速率最高达几百Mb/s，数据窗口非常短。这个网络是整个PCB板的核心，也是导航设计中的重点部分。简单介绍一下车载导航PCB的设计流程：
1.系统的需求分析与整体构思。
2.功能区域的划分、原理图的设计、关键网络的资料准备等等。
3. PCB板的初期构想工作：PCB板层结构预设定，各功能模块在板内的Layout，重要网络的布局布线，以及PCB在产品中的外形构造数据检讨等等。
4.设计开始初期就可应用Lightning软件进行前端仿真：进行设计初期的器件选择、关键网络拓扑分析、端接匹配网络设定、PCB的叠层结构分析，信号线特性阻抗的设定等工作；通过仿真结果的反馈，充分分析和把握原理图的正确性，相关参数的设定为PCB物理设计提供可靠的规则和约束条件。
5. PCB板内设计，利用ZUKEN CR5000软件进行完成各元器件的布局与网络的布线。
6.应用Lightning软件进行的后端仿真：抽取已经完成PCB物理设计的关键网络的拓扑结构图，进行仿真验证。
如图1所示，从设计开始到结束，仿真解析工作与整个系统设计是并行开展的。基于Lightning应用的仿真解析工作分为：前端仿真分析和后端仿真验证两个部分。
应用Lightning进行前端仿真
1.关键网络拓扑结构建模
不同的走线拓扑结构对信号的传输影响很大，在理论检讨阶段就对关键网络进行拓扑结构（菊花链形/Star形/Tree形）检讨，应用Lightning软件针对DDR网络进行拓扑结构模型建立，进行仿真分析，选择最优的方案，应用的实际设计中。如图2所示，我们主要可以建立以下3种常见的拓扑结构模型进行仿真分析。
2.设置并仿真验证PCB的规则和条件
设定CLK、Data数据组，及Address/Command等关键网络的最大最小阻抗、最大允许串扰值、最大过冲和欠冲值、差分对设定、匹配对设定、总线设定等各项PCB设计的相关参数。接下来的PCB物理设计就会依照这些前端的设定和约束进行。如图3中，在Constraint Manager中设定了所有网络的最小阻抗为50欧姆，最大阻抗为80欧姆，最大串扰为300mv，最大过冲为300mv，最大的信号偏移为300ps等。
3.规则关键网络元器件布局
Lightning具有智能化的自动布局算法，将布局与布线融为一体,为设计人员节约设计时间。如图4所示，在移动或放置一个元器件时，系统会自动提示此元器件放置的最佳位置，并在布局中实时遵循关键网络的时序要求。当然，以软件提供的数据为参照，设计者也可凭借自身的理论知识和设计经验为基础进行手动设计。
4.特性阻抗的计算
当PCB设计的各项参数设定以后，在Lightning中可以精确的计算出每一根网络的特性阻抗，如图5所示。线条的宽度影响特性阻抗的大小，所以设计者要充分考虑关键传输线的阻抗及延时等的影响，在车载导航PCB设计中，设定传输线特性阻抗值标准为：差分信号Zo≒100Ω，其他信号Zo≒50Ω。
5.差分对布线和差分阻抗计算
在Lightning中设定具有差分布线属性的网络，然后将这些网络锁定。完成布线的差分网络可以进行仿真验证，如图6所示，还可以基于实际布线计算差分阻抗值Zdiff。
应用Lightning进行后端仿真
1.快速诊断扫描PCB板
在PCB物理设计100%(或重要部分)完成后，Lightning可以从PCB上抽取实际的布线信息，可以检查诸如阻抗特性、串扰、信号失真、信号延时、信号单调性、信号过冲/欠冲等SI参数。直观的表格报告中，绿、橙、红三种颜色分别代表满足要求、警告、犯规，如图7所示。
2. 抽取关键网络拓扑结构图与仿真验证
应用Lightning可对已完成PCB物理设计的关键网络抽出拓扑结构图，也可以根据设计者的经验，手动画出拓扑结构图，两种方法都可以完成拓扑结构图的建立。如图8示为抽取出的地址线的仿真拓扑结构图。抽出拓扑结构图后，将设计要求的频率设置为动端的仿真解析频率进行最后的仿真验证，如图9为地址线的仿真波形图，若仿真结果不理想，需要针对结果进行分析，再对电路设计及PCB设计重新进行检讨和优化。
3.问题网络分析与端接网络选择
除了表格式的报告以外，还可以启动仿真器直接观察有问题网络线的波形结果。仿真结果不理想的情况，设计者需根据电路的实际情况，可选择加入端接网络（串联匹配/并联匹配/戴维宁式匹配/并行AC匹配/肖特基并联匹配）进行电路优化，重新仿真至满足系统要求。例如图10所示的MCLK1信号，从表格式报告看出最大的一阶过冲为2684mv，对它进行基于布线结构的仿真分析，波形结果和表格报告结果完全一致。通过电路的分析，选择在MCLK1的驱动端加入串联电阻的匹配方式，并对此串联电阻阻值优化。范围选在0到150欧姆，当以降低信号的最大过冲为特征目标时，得出在R=40欧姆时，信号的过冲已经降到最低，其对应的整个网络的仿真结果如图11所示，可以看出，优化后的信号SI特性已经得到改善。
结语
本文主要介绍了在现代车载导航PCB设计过程中，基于电磁学的定量分析工具Lightning解决高速PCB设计中的SI问题，实践证明这种高速电路设计解决方案是可行的。希望本文的设计思路及Lightning功能介绍能对大家的设计有所帮助。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。