汽车以太网应用的SI分析技术

17 May 2019 • Less than one minute read

现今汽车中车载电子设备的爆炸式增长，正在迅速改变向汽车消费者圆满提供高性能、可靠功能所需的工具和方法。汽车印刷电路板（PCB）的设计传统上一直由几个简单的器件互连组成、使用2层PCB，主要考虑的是成本问题。但是随着先进驾驶员辅助系统（ADAS）的普及，现在汽车可以包含多达100个电子控制模块（ECU），通过多线缆电缆束与安装在汽车四周的传感器相连。

为适应传感器、数字逻辑与ECU之间更高性能的传输，汽车中所用部件之间的信号传输也在发生变化。目前大多数汽车采用的设计标准是100BASE-T1网络接口，它由单根平衡双绞线组成，以100 Mbps速度采用PAM3信令在非常嘈杂的汽车环境下运行。未来设计将采用1000BASE-T1网络接口，以增加10倍的数据速率运行。这对确保可靠运行所需相关系统级的分析具有重要意义。正如我们以往在计算、电信和移动领域之所见，随着信令向更高的数据速率移动，以前被安全忽略的事情开始变得重要起来。类似反射、串扰、互连损耗和均衡等信号完整性（SI）效应全部都变得很重要。这就需要新的工具和方法按计划顺利设计这些复杂接口。

采用自上而下的分析方法可有助于使总体设计方法更为有效。从设计周期早期阶段开始，可以使用预估的芯片、封装、电路板、连接器和电缆的模型，构建汽车以太网接口的“虚拟原型”。这样可以运行仿真并进行初始分析以检查可行性和设计权衡。例如，可以通过各种接收器均衡功能模拟不同长度和类型的电缆，以评估对接收器眼图的影响以及汽车以太网链路的比特误码率（BER）。

随着设计过程的深化，可以用更为详细的特定设计模型取代预估模型，从而使整个设计周期中的分析更加准确。参数提取工具可用于提取有关封装和印刷电路板互连寄生的S参数，这样可与供应商和实验室测量的连接器和电缆模型相结合，实现端到端系统仿真。IBIS-AMI模型可用于表示SerDes均衡功能，例如连续时间线性均衡（CTLE）和决策反馈均衡（DFE），使PAM3信号能够针对不同场景进行比较和评审。

可以利用汽车以太网的自动化合规分析套件，根据相关接口标准自动分析关键准则，例如插入和返回损失以及整个链路的比特误码率（BER）。该项功能可以在早期“虚拟原型”阶段进行部署并贯穿整个设计过程中，最后在投入制造之前进行最终设计验证。

自上而下的SI设计方法

在这些数据速率下，接口成功方法的一个关键因素是将起点显著转移到传统式布局后验证步骤的前面。在传统“自下而上”方法中，有一种错误的观念认为，在详细PCB布局完成之前无法进行有意义的分析。硬件设计环境中的实际情况完全不同。

为了在紧张的PCB设计过程的后端实现关键接口的确认签发，准备工作至关重要。一种策略是“自上而下”，在后期阶段之前构建一个串行链接接口的早期仿真测试平台。这样可以在BOM早期阶段启动分析，甚至早于详细原理图设计，当我们获得SerDes和协议（将被用于发送和接收信号）的初始理解时，很可能将用到系统分区、预期PCB层叠和信号长度以及连接器和电缆的基本概念。在该早期阶段，系统中所有功能块的详细模型并不重要，最初可以使用“虚拟模型”，但是随着更多细节的出现，这些虚拟模型将被取代。（合规分析套件是早期测试平台初始模型的丰富来源，本文后面将对此进行介绍。）简而言之，如果可以在餐巾纸上绘制出接口，那么就应该能够组合出一个早期仿真平台。这种自上向下方法的优势是多方面的：

使我们可以看到整个系统以及将被遍历的信号路径。
帮助我们确定完成整个芯片间信号路径所需的全部模型，这样我们可以在需要这些模型之前获得它们以开展工作。
在早期运行一些内容可以使我们提前设置仿真测试平台，从而使后续整个流程的运行，在很大程度就是更新拓扑中的模型并且更加具体地重新运行仿真。当时间紧张时，这会在设计周期后期帮助我们节省大量时间。

图1 – 基本设计方法（点击查看大图）

具备适当的接口拓扑初始原型并且至少为各个功能块分配虚拟模型以后，应该建立一个仿真平台并以目标数据速率传输信号。现在随着设计过程的进行，设计工作开始用更详细、更实际的模型取代仿真模型。这些模型一般可分为以下几个基本类型：

用于SerDes发射器和接收器的IBIS-AMI模型
Spice无源器件模型（例如交流耦合电容）
封装
PCB
连接器

第一步是在拓扑中对不同功能块所需要的模型和现在模型库中已有模型之间进行分析。使用现有模型扩充仿真平台，并且验证它们是否能够清晰仿真。接下来列出缺少的模型列表，联系模型供应商（可以是内部或外部供应商）并对我们需要的模型提出要求。记录与我们沟通的联系人、联系日期和模型状态。当我们获得模型时相应扩充仿真平台。

创建虚拟原型

正如我们可能期望的那样，创建接口虚拟原型的最简单方法是从以往项目中已有的原型开始，然后对其进行修改。可将以往项目储存并重用为“模板”，以便利用其作为下一个项目的起点。

如果缺乏既有原型，则可从EDA工具合规分析套件中选取一个相应拓扑作为良好起点。下图是一个100BASE-T1合规分析套件中一个拓扑结构范例：

图2 – 由Cadence公司SystemSI提供的100BASE-T1合规分析套件一个拓扑结构（点击查看大图）

该拓扑结构来源于100BASE-T1规范，表示整个芯片间的信号路径。包括规范定义的驱动和接收器模型以及封装、PCB、连接器和电缆范例模型。还包括一个规范定义的表现接收器中均衡状态的IBIS-AMI （输入/输出缓冲区信息技术规范-算法模型接口）模型。可以包括连续时间线性均衡（CTLE）和决策反馈均衡（DFE）等功能。

以上所示拓扑结构本质上是“图形化的SPICE”。标准建模格式（例如IBIS、Touchstone和SPICE子电路）都可以分配给拓扑结构中的功能块。上述模板包含5段3米长电缆的范例模型，代表着100BASE-T1规范中定义的最大长度。这些模型部分（以及相关连接器）可以被轻易开通和关断以用于项目的预期情况。

虽然可以利用合规分析套件帮助构建接口的初始虚拟原型，并为所有功能块提供工作范例模型，但这只是一个起点。所有这些初始模型最终都应被来自实际项目的特定模型和数据取代。

图3 - 15米汽车电缆连接后信号的眼图密度分布（点击查看大图）

建立和运用有关接收器均衡的IBIS-AMI模型

汽车应用场合（例如汽车以太网）的关键要求之一是满足特定的BER（例如针对100BASE-T1接口的1e-10）。这远远超出传统电路仿真的范围，进入到用于PCI Express、USB等通用串行链路接口的信道仿真领域。电路仿真用于将信道表征为脉冲响应，然后将脉冲响应传递给信道模拟器，并与大比特流激励信号相卷积运算，以便在接收器上产生波形（如下图所示）。

图4 – 信道仿真过程（点击查看大图）

信道仿真具有在合理时间内仿真数千万比特流的能力，从而能够生成详细的眼图分布。这些眼图分布经处理后产生浴盆曲线，预测在特定BER下的眼宽和眼高。

图5 – 浴盆曲线（点击查看大图）

为表示信道仿真过程中发射器和接收器的均衡，我们采用IBIS-AMI模型。由于信道仿真技术在汽车领域内还相对较新，因此信号完整性工程师有时可能必须根据数据规范以及有关接口中所用SerDes（串行器/解串器）器件的知识构建自己的AMI模型。

现在可以使用EDA工具快速生成IBIS-AMI模型，并可使用诸如DFE接头数量、接头限制以及CTLE特性等输入数据（如有）。CTLE功能可以用多种基于文本的格式建模，例如时域内的阶跃响应、实部/虚部、幅度/相位或频域幅度曲线描述，或者当作零极点函数或有理函数。

图6 - CTLE建模选项（点击查看大图）

标准–合规性分析

当我们的项目已准备了具体互连模型并且分配和执行了IBIS-AMI模型，我们可以根据设计的汽车以太网标准自动执行合规性检查。

每个接口都有自身需要符合的特定标准。本例中，100BASE-T1技术规范为无源互连信道确定了许多频率范围标准以及在1e-10的BER上的眼高和眼宽规范。

单独评估这些标准可能非常耗时，特别是在需要多次运行来扫描器件工作模式和多个通道模型的情况下。自动化合规分析套件可以极大地加快合规检查速度并加速验收时间。

图7 - 100BASE-T1规范检查（点击查看大图）

自动扫描关键参数和标记合规检查失败类别可以更好地覆盖汽车以太网接口设计，并有助于准确描述其余重要问题。

图8 – 合规分析套件检测结果（点击查看大图）

汽车以太网接口在非常苛刻的条件下运行，随着数据速率和性能的提高以及当今汽车和卡车对更复杂电子产品的需求，汽车以太网接口的可靠性设计将继续面临更大的挑战。自上向下的分析方法——即通过仿真的早期虚拟原型并在整个过程中不断改进的方法，是有效设计这些接口的良好策略。基于类似PCI Express、USB等高速数据接口的已确立的串行链路仿真技术（例如信道仿真、IBIS - AMI建模等），可以有效地应用于汽车以太网问题分析。基于标准的合规性检查可以帮助分析自动化并加速验证签发时间。

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