1.4 SI、PI和EMI协同设计

PI问题不仅仅是一个功率传输问题，它对SI和EMI有着非常重要的影响和制约作用。PDN的主要功能是为PCB或封装上的各个器件（晶体管）提供参考电压。但是，电源/地平面上的噪声对高速信号、PLL、RF/模拟电路等而言，相当于一个垃圾通道。电源噪声将加剧PLL抖动，降低RF/模拟电路的噪声容限，增加串行数据通信的误码率等，严重时电源噪声会导致数字系统时序紊乱、系统瘫痪。在高速PCB和封装中，电源/地平面为高速信号提供低阻抗的返回路径，其设计直接影响了SI问题。实际上，正是PDN构成了所有信号的返回路径。另外，由电源/地平面对组成的平面谐振腔容易被高速信号的返回电流和SSN激励而发生谐振，从而导致严重的EMI问题。不过，电源/地平面也为信号回路提供电磁屏蔽，它能有效改善系统的EMI。实践已经证明，采用带有电源/地平面的PCB能更加有效地控制EMI问题。而且，只有引入电源/地平面，互连才可能拥有理想的紧邻低阻抗返回路径，互连的工作速度才能提高。综合而言，只要处理好平面谐振问题，电源/地平面能带来的优点要远大于其缺点。

由于传统设计理念的影响，通常情况下对SI、EMI和PI都是分开进行研究的。但是随着系统速度的提升，三者之间的互相影响和制约关系表现得非常突出，尤其是非理想高速互连。例如，穿越参考平面（电源/地平面）的信号过孔对互连线上的信号造成很大的影响，使信号边沿畸变和退化。同时，回路面积的增大和引入的阻抗突变也可能向电源/地平面注入足够的能量，从而导致电源/地平面发生谐振，加剧了电源电压波动，在PCB边缘处产生电磁辐射。因此，最近有人试图将SI和PI两者进行一体化分析。著名的EMC专家Keith Armstrong指出，SI、PI与EMI有本质的内在联系，高速SI和PI设计方法往往与EMI设计殊途同归，在PCB级采用当前先进的PCB技术和合理的布局布线设计就能够有效改善EMC/EMI问题，节约大量的产品开发成本。

对于非理想互连结构（通常指返回路径出现阻抗突变的互连结构，如信号过孔、连接器、封装、键合线、经过凹槽或平面分割的互连线等），SI、PI和EMI的相互制约关系就甚为紧密，通常一个问题设计不当，同样会引发其他两个问题。这是因为整个电子系统建立在一个公共的平台PDN上，它们通过共同的物理结构发生联系。此时，PCB中的电源/地平面不仅用于传输功率，同时也构成信号的返回路径。另外，两平面形成了谐振腔，在谐振频率上会导致强烈的辐射问题。

因此，在高速设计中应协同考虑SI、PI和EMI，以获得最有效的分析与设计。图1.6描绘了SI、PI和EMI三者的互相影响以及与PDN设计的关系，这三者协同设计的物理基础就是平面去耦PDN，PDN设计的好坏直接影响到系统的SI、PI和EMC性能。图1.5更清楚地说明了物理结构中SI、PI和EMI之间的互相影响。如果能在建模、分析和设计时就综合考虑SI、PI和EMI的影响，则可以节约大量的后期调试、修改和验证成本。以PDN为基础的SI、PI和EMI协同设计，已经成为当今高速数字系统设计的唯一有效途径。

图1.6 SI、PI和EMI设计紧密关联，设计的物理基础就是PDN