基于ViaExpert仿真的AC耦合电容阻抗优化设计

摘 要：本文首先介绍了高速串行链路设计中AC耦合电容阻抗优化的重要性，然后阐述如何利用Xpeedic芯禾科技公司旗下软件ViaExpert对AC耦合电容设计进行前仿真，然后指导后续PCB设计，最后PCB完成后进行后仿真，完成仿真的闭环设计。

1 引言

随着高速串行总线的速率越来越高，链路的阻抗也随之成为SI工程师关注的焦点。由于高速串行总线链路中唯一的无源器件就是AC耦合电容，所以在我们对传输线阻抗以及过孔或者连接器的PIN的阻抗优化之后，剩下的也就是AC耦合电容的阻抗的优化，当然25Gbps链路为了进一步减小AC耦合通道阻抗不连续性的影响，IC厂家直接把AC耦合电容设计在接收端芯片这里，所以对于正在设计10Gbps链路的应用，AC耦合电容成为SI工程师的必修课了。

AC耦合电容的阻抗仿真，因为需要考虑到焊盘和GND或者POWER平面的容性耦合，所以常规在HFSS中建模会比较耗费时间，目前芯禾科技推出的ViaExpert建模工具可以针对各种叠层和电容封装进行AC耦合电容阻抗优化前仿真，后续布线阶段也可以导入Brd文件提取出AC耦合电容的焊盘尺寸和掏空的层数和大小，最终仿真出你所能接受的阻抗设计。

2 AC耦合电容的掏空设计

AC耦合电容焊盘相比链路的走线会比较宽，这样对于高速信号传输来说就是一处阻抗不连续点(如图1)，为保证阻抗的一致性，AC耦合电容的下方需要做多层的掏空，但是由于PCB设计的第3层或者倒数第3层通常是POWER层，挖空后可能会导致BGA IO口模拟电源的压降问题;目前很多电源模块都具有Remote Sense功能，可以补偿PCB压降问题，所以AC耦合电容焊盘下方做多层掏空也是可以的。

在此背景下，我们就需要一种仿真工具可以对掏空大小和掏空层数做阻抗优化仿真，通过调整AC耦合电容焊盘下方的挖空大小以及挖空的层数来确定单板基于某种叠层下的焊盘阻抗是否比较接近差分传输线的阻抗，最终给出PCB设计的优化规则。后续我将介绍如何利用芯禾科技推出的ViaExpert软件进行AC耦合电容阻抗优化仿真的设计。

图1 高速串行链路中AC耦合电容的设计

3 AC耦合电容阻抗前仿真优化

在芯禾科技发布的最新ViaExpert版本中，有专门针对AC耦合电容阻抗仿真的优化流程，软件界面如下图2所示。叠层可以利用软件默认设置也可以由用户PCB叠层，通过Import按钮导入。AC耦合电容这里可以支持一对差分也可以支持多对差分进行AC耦合电容的串扰仿真，这里我们只以单对差分为例进行仿真。

图2 AC耦合电容建模初始界面

上图确定好叠层和AC耦合电容的对数之后我们就可以对单对AC耦合电容的出线及信号孔和地孔做更详细的设置，具体设置信息如下图3所示。

图3 AC耦合电容建模设置

这里我们以0402的AC耦合电容为例进行仿真，一端Botm层通过换层过孔连接Top面的AC耦合电容，另外一端通过过孔再连接到Art12层，这里我们分别仿真3种情况;电容掏空到GND02层，X方向掏34mil，Y方向掏66mil(Case1)。模型建好后的3D效果图如图4所示。

图4 AC耦合电容3D效果图(Case1)

电容掏空到GND02层，X方向掏28mil，Y方向掏58mil(Case2)，如图5所示。

图5 AC耦合电容3D效果图(Case2)

电容掏空到POWER04层，X方向掏34mil，Y方向掏66mil(Case3)，如图6所示。

图6 AC耦合电容3D效果图(Case3)

模型生成好后，电容出线的两端会自动生成Wave Port，所以不需要你手动去设置Port，这里还有一点就是材料的参数以及孔径需要你去设置，材料参数设置因为是前仿真，所以用Djordjevic-Sarkar Model Input简单的频变模型(图7)，只需要设置一个频点的Dk和Df值就可以求解宽带的频变曲线。具体设置界面如下所示，这里我们板材选用FR-4，Dk和Df的值选择1GHz频点。

图7 Djordjevic-Sarkar Model Input

Case1和Case2参数分别设置好之后，我们就可以开始仿真，仿真频率范围设为10MHz-20GHz频段。具体设置如下图8所示，芯禾科技在最新的版本当中加入了Dense Mesh功能，可以在对结构复杂区域增加Mesh的数量，客户可以通过勾选项自行选择。

图8 仿真引擎设置

下面是Case1，Case2，Case3三种情况下AC耦合电容插入损耗，回波损耗以及差分阻抗曲线，分别如图9,图10及图11所示。这里使用的是Xpeedic公司的SnpExpert对S参数进行比较。

图9 3种Case的插入损耗曲线

图10 3种Case的回波损耗曲线

图11 3种Case的差分阻抗曲线

从以上3种情况的仿真结果可以看出，掏空2层的阻抗是最接近100ohm的，所以在5.16GHz基频处的插入损耗和回波损耗也是最优秀的，但是和掏空1层的结果差别不是太大，Case2情况是最差的，因为掏空区域变小了，差分阻抗变低了。所以后续我们在PCB设计阶段就可以根据以上前仿真结果进行指导，对于通流比较紧张的情况，我们只掏空GND02层的地，对于POWER03或者ART03空间宽裕的情况下，可以掏2层处理。

4 AC耦合电容阻抗后仿真验证

根据上节3种Case情况下的仿真结果和PCB设计的实际情况，AC耦合电容只掏空GND02层，掏空尺寸为X方向掏34mil，Y方向掏66mil。因为ViaExpert可以直接导入Brd文件，所以在PCB设计完成后在ViaExpert里面直接对Brd进行解析，提取出板上的AC耦合电容和出线。PCB实际AC耦合电容的设计以及导入到ViaExpert中提取完成的3D效果图分别如图12和图13所示。

图12 实际AC耦合电容出线

图13 实际AC耦合电容3D效果图

因为ViaExpert里面提取Brd无法获得电容相应的模型，所以后仿真需要把模型导入到HFSS中，然后加上AC耦合电容的Model，最终如图14所示。

图14 实际AC耦合电容3D效果图

仿真结果如下图15，图16，图17所示。基本和前仿真结果一致

图15 实际AC耦合电容后仿真插入损耗

图16 实际AC耦合电容后仿真回波损耗

图17 实际AC耦合电容后仿真差分阻抗

5 结论

本文介绍了如何利用Xpeedic公司旗下的ViaExpert软件对高速串行链路AC耦合电容的前仿真差分阻抗优化以及PCB后仿真建模，前仿真得出设计方向后指导PCB设计，最后后仿真确定设计是否满足要求，最终保证高速串行链路设计的一板成功。