我和我的同事們經常被問到關于 PCB 效應的相同問題，例如：

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仿真何時需要 PCB 效果？

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為什么時域仿真需要 PCB 效應？

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當 PCB 效應必須包含在仿真中時，頻率是否重要？

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設計人員應該在多大程度上關注 VRM 模型中包含的 PCB 效果？

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無論頻率如何，這些都是有效的問題，但我的答案總是一樣的。如果你想要正確的答案，PCB 效應是總是需要 PCB 效果無論頻率如何，都需要。換句話說，無論您是模擬 1 Gbps SerDes、56 Gbps SerDes、DDR5-5600 總線、DDR4、電源、穩壓器模塊 （VRM） 還是配電網絡 （PDN），您都必須始終包含印刷電路板效應才能獲得正確答案！PCB 上有多個電感和電容寄生效應，可以完全改變電路性能的動態。

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為什么 PCB 效應對于精確仿真至關重要

我想我們都同意，Signal Integrity 社區大多非常重視這個“思想流派”，通常包括 PCB 效應。但是，仍然存在異常值，這并不總是正確的。不包括 PCB 效應的最大差距似乎存在于電力電子領域。

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當超越原理圖時，了解 PCB 效應對仿真的影響至關重要。

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PCB 效應對仿真精度的影響

例如，讓我們使用 Texas Instrument TPS7H4003 評估板。TPS7H4003 是一個 18A DC/DC 轉換器。參考圖 1，左側波形顯示了 Sandler State-Space Average VRM 模型的時域電壓響應輸出沒有包括 PCB 效果。右邊的波形顯示了輸出電壓響應的測量結果，清楚地表明左圖中沒有看到額外的 1MHz 振蕩。中心波形描述了當 PCB 效應包含在 Sandler State-Space Average VRM 模型中時的輸出電壓響應。正如我們所看到的，中心波形現在不僅包括 1MHz 的振蕩，而且還與測得的波形相匹配。除非使用 Keysight ADS 將 PCB 效應包含在仿真結果中，否則無法實現這一結果。

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圖 1 - 有和沒有 PCB 效應的時域仿真與測量 [1]

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阻抗和噪聲頻譜分析

“我們可以看看另一個例子，通過引用最近與一些同事一起完成的 DesignCon 2024 論文的摘錄，來展示 PCB 效應在仿真中的重要性。2000Amp 核心軌的設計、仿真和驗證挑戰”的摘錄，看看另一個例子，該示例顯示了 PCB 效應在仿真中的重要性."參考圖 2，當比較沒有 PCB 效應和有 PCB 效應的仿真結果時，有兩個非常快速的觀察結果。

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第一個是路徑電阻增加了 22,000%（2.455 uOhm 至 57.441 uOhm），由每個圖上的標記 m1 表示。在這種情況下，2000 安培低于 1V PDN 的目標阻抗約為 40 uOhm。作為設計師，如果沒有 PCB 效應，我們可能會認為我們有足夠的余量，而實際上，您需要通過在設計中添加更多銅來降低實際電阻，以滿足所需的 40 uOhm 阻抗目標。

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第二個觀察結果是，在考慮 PCB 效應時，觀察到我們的 VRM 控制回路電感（242.425 pH 至 426.882 pH）增加了 76%。

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參考 EQ（1），電感增加 76% 意味著該設計的電容將增加 76%，以滿足 40 uOhm 阻抗目標。同樣，如果沒有 PCB 效應，就不會觀察到或捕捉到這一點。最終，這將導致 PCB 重新設計，這將在時間表上花費更多的時間和金錢。

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情商（1）

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圖 2 - 無和有 PCB 效應的 2000 安培內核電源軌 PDN 的阻抗仿真 [2]

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為了解釋為什么在 2000A VRM 和 PDN 的設計中必須考慮 PCB 效應，圖 3 比較了有和沒有 PCB 效應的噪聲頻譜。在 VRM 的開關頻率下，具有 PCB 效應的噪聲頻譜高出 3 dB [2]。

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圖 3 - 帶和不帶 PCB 效應的 2000 安培 VRM 和 PDN 噪聲頻譜 [2]

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忽視 PCB 效應的成本

簡而言之，正確很重要！計劃外的 PCB 重新設計可能會破壞項目開發計劃。除了 PCB 重新設計所需的額外成本外，為避免這種成本，您的仿真中還必須包括 PCB 效應。如果在設計簽核之前沒有正確考慮，構成我們 PCB 的寄生效應，無論是傳輸線還是電源層，都會對整體設計產生重大影響。

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您是否需要以下方面的幫助：

• 為您的設計簽核生成 PCB （SnP） 模型或封裝 （SnP） 模型

• 希望通過準確的電磁分析確保設計中互連的信號完整性

• 希望通過精確的電磁分析來分析設計中 PDN 的電源完整性

• 支持電源完整性或信號完整性的端到端仿真工作

• 電源平面上的直流降分析

• 電熱分析

• 為差分對、DDR4、DDR5 或高速 SerDes 網絡生成 EM 提取

• 或者甚至只是確保 S 參數 （SnP） 模型質量 Signal Edge Solutions 非常樂意與您合作。

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引用：

1. 桑德勒，S.，丹南，B.，巴恩斯，H.，約茨，C.面向 Power Integrity Engineer 的 VRM 建模和穩定性分析.DesignCon 2023 年。

2. Sandler， S.， Dannan， B.， Barnes， H.， Ezra， I.， Ni， Y.，2000 A 磁芯電源軌的設計、仿真和驗證挑戰.DesignCon 2024 年。

3. 信號完整性 電源完整性和電磁 （EM） 建模出版物 |Signal Edge Solutions 有限責任公司

4. TPS7H4003EVM 評估板 |TI.com

5. PathWave 先進設計系統（ADS） |是德科技

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