CISCO_服務(wù)器設(shè)計中的EMI和SI問題

　　統(tǒng)時鐘設(shè)計和布線
　　(以減小時鐘傾斜(Skew)導(dǎo)致的時鐘余裕 (timing margin) 受損)
　　時鐘走線首先要注意避免阻抗不連續(xù)，在驅(qū)動器端的時鐘線設(shè)定阻抗為Z0為40Ω，然后每條線扇出成一對線，每條的Z0基本加倍，使信號反射減至最小。時鐘傾斜(timing skew)的問題是通過仿真解決，并將走線布到同一層上，管腳上時序信息是經(jīng)過測試驗證過的。
　　
　　優(yōu)化電源層結(jié)構(gòu)，防止電源的電磁輻射影響信號層
　　(減小耦合噪聲，△I噪聲，模式轉(zhuǎn)換噪聲mode conversion noise)
　　在開始的面包板(breadboard)上采用的是8層結(jié)構(gòu)，電源層和地層之間夾了兩層信號層。電源層的特征阻抗超過了40Ω@100MHZ，這個值對電源層來說太大了，所以加上了許多高速低寄生串阻的退耦電容。用增加退耦電容的方法對以前的TTL CMOS電路設(shè)計是足夠了，但在本設(shè)計中，因為含有奔騰Òpro處理器，電源層和地層上就會有明顯的沖擊電流。電源層的中電流強度將會幾倍于信號電流強度，由此在電源和地層之間的強輻射將會干擾電源地層間的任何信號，干擾強度會超出GTL＋噪聲容限。
　　
　　電源層結(jié)構(gòu)
　　新的母板采用10層結(jié)構(gòu)，并且電源層和地層緊貼一起。這樣電源層地層上電流造成的輻射就會集中于兩層之間，很少干擾信號層，這種結(jié)構(gòu)電源的特征阻抗Zopwr=9W@100MHZ，電源和地層構(gòu)成了一個大的低電感分布電容，自振頻率為400MHZ。并且在新結(jié)構(gòu)下，除一個信號層之外，其余信號層都緊貼了地層。
　　
　　減少模式轉(zhuǎn)換噪聲(Mode Conversion noise)
　　為減少模式轉(zhuǎn)換噪聲，要盡量避免信號線的層次轉(zhuǎn)換，以防止回路電路(在電源層地層流動，高頻信號回路電路盡量與信號線貼近)被切斷；信號走線一定要換層的地方，一般要限制信號換的層次(如TOP層信號可換到第一內(nèi)部信號層，因為這兩個信號層都緊貼第一地層)，以保證回路電流路徑的完整，如果信號換層過多(使回路電流不能在同一地層上流動了)，必須在換層的過孔旁邊加地孔，使地回路電路也能順利換層。
　　譯者注：對流動在電源層上的電流回路也應(yīng)該有同樣措施，即如果電源回路電流也要換層時，同樣應(yīng)考慮加電流孔！
　　
　　優(yōu)化處理器電流產(chǎn)生與分布
　　(減少耦合噪聲，△I噪聲和模式轉(zhuǎn)換噪聲)
　　改進的CPU卡采用了電源/地作夾層的8層布線結(jié)構(gòu)，該卡面臨了幾種不同電源電壓的挑戰(zhàn)，除地之外一共有六種電壓(VCCPX、VCC3-3V、VTT、VREF、VCC、PLUS12V)需要分布。為了控制大電流，所有信號層都被分成局部信號和局部平面；電源層被分割，而地層則是連續(xù)平面。

　　信號完整性仿真(Timing Driven Signal Integrity Simulation/Verification)，用靜態(tài)時序分析工具(MOTIVE)驅(qū)動傳輸線仿真XTK。這項分析是針對整個系統(tǒng)進行的，分析了連接CPU卡、母板和擴展卡的GTL＋總線上的信號。
　　時序分析首先要先建立處理器和各芯片的時序模型，描述了下列參數(shù)Tco(clock to out_valid)，建立時間setup、保持時間hold，時鐘不確定性clock uncertainty等等，這些參數(shù)送入XTK來計算傳輸延遲(含耦合效應(yīng))和串撓，結(jié)果輸入MOTIVE，檢查信號的建立時間，保持時間達不達要求。對多板設(shè)計而言，這是必要的。母板本身又可以看做設(shè)計高速I/O擴展口的平臺。
　　
　　Motive延遲分析結(jié)果
　　結(jié)果表明靜態(tài)時序分析使實際的物理系統(tǒng)遵循了所有處理器/芯片的規(guī)范。
　　
　　用Monte Carlo分析法分析PCB參數(shù)
　　PCB參數(shù)在實際PCB生產(chǎn)中會有變化，分析這些參數(shù)的目的即在于找到這些參數(shù)的變化對串撓和延遲的影響。
　　敏感性分析主要針對布線/板/材料的參數(shù)。比較重要的有層間介質(zhì)厚度、介電常數(shù)、線寬和銅箔厚度。分析之后，發(fā)現(xiàn)銅箔厚度可以忽略。因為串撓分析相當(dāng)費時間，所以開始只分析些地址線、控制線和4條串撓最強的連線。剩下的PCB參數(shù)對互連線傳輸特性都有重要影響，而且參數(shù)變化空間很大，所以采用Monte Carlo分析法。
　　分析中采用了單一的幾率分布，也就是說參數(shù)在最小和最大值之間是等概率分布的。在各參數(shù)取不同值的條件下，做了一系列分析，用直方圖表示了結(jié)果。為了節(jié)約時間，進行更徹底的分析，使用了多個XTK的許可證(license)對多個CPU分析。
　　在PABEC(110mV with 7loads)帶負載條件下，在所有參數(shù)變化范圍內(nèi)，最大串撓小于120mV。
　　
　　熱完整性––– 熱分析
　　在一個特制的機殼中，在一系列特定條件下，估計對芯片工作不利的工作溫度。
　　熱分析主要依靠測試而不是分析，因為目標(biāo)機是現(xiàn)成的。工作的目的是要深刻理解溫度對PCB材料(FR4)和銅的影響，及由此對GTL＋總線的影響。
　　熱分析將PCB看在一個熱耗散結(jié)構(gòu)，被器件加熱。
　　熱測試的儀器是CompixTM6000輻射掃描儀，掃出的圖像可定量分析熱分布和溫度，然后算出銅電阻變化和FR4板材的透電率。結(jié)果表明，溫度效應(yīng)比起其它噪聲源來說可能影響較小，只是電阻增大引起幾mV壓降。PR4的透電率變化沒有造成明顯后果。新的設(shè)計中，對器件的布局做了調(diào)整，將機箱的通風(fēng)條件做了改善。實驗表明，在室內(nèi)即使到40℃時，機箱的散熱也是充分的。
　　
　　測試儀器：
　　l HP54111D Digitizing Oscilloscope
　　l HP16500B Modular logic Analysis System
　　l HPE2910A PCI Bus Exercizer
　　l Tektroniz CSA803+ Dual SD24 TDR/S.H.20GHZ
　　l Tektroniz DSA602A Digitizing Signal Analyzer
　　l Tektronix TLS216 Logic Scope
　　l Mistell aneous Lab Instrumentation
　　l Compix 6000 Infrared emissivity Scanner
　　
　　總結(jié)
　　帶8個總線負載
　　l 串撓：小于120mV(原先>550mV)
　　l EMI：符合FCC“B”標(biāo)準(zhǔn)(4處理器@166MHZ)
　　(原先不符合FCC“A”標(biāo)準(zhǔn)（在1處理器@133HZ）)
　　l VREF Margin test ：NMH>355mV; NML>270mV
　　l 延遲：總線延遲減少了400ps
　　l 溫度：保持在所有器件的允許范圍內(nèi)
　　l Monte Carlo分析：
　　無負載條件(PABEC接插件上無負載)，在PCB參數(shù)變化范圍為10％時，噪聲延遲全都達標(biāo)。
　　全負載條件：噪聲和延遲有所增大，但仍能達標(biāo)
　　輕負載條件(一個CPU卡和一個終端卡)沒任何危險
　　
　　
　　結(jié)論：分析仿真和測試使產(chǎn)品上市時間得到保證。