基于Ansys的PCB板級(jí)電磁兼容

PCB作為電子系統(tǒng)的載體，承載著系統(tǒng)中的工作芯片，傳輸線，供電網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵部件，其本身的質(zhì)量關(guān)系著系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。隨著頻率的升高，PCB的電磁兼容問(wèn)題也越來(lái)越突出。

一方面，在PCB設(shè)計(jì)中，不連續(xù)參考面，電源抖動(dòng)噪聲等非理想因素都會(huì)導(dǎo)致電磁能量通過(guò)傳導(dǎo)，輻射的方式散發(fā)出去，影響其他部件的正常工作，另一方面，頻率的不斷提升，帶來(lái)的不僅是性能的提高，隨之而來(lái)的還有設(shè)計(jì)難度的不斷加大，以及設(shè)計(jì)裕量的不斷減小，也意味著系統(tǒng)更加容易受到電磁能量的干擾，需要采取必要的措施對(duì)PCB電路進(jìn)行保護(hù)。

總而言之，對(duì)于現(xiàn)代電子系統(tǒng)，不僅要求PCB的SI/PI達(dá)到要求，更需要對(duì)SI/PI與EMC進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)的源頭就對(duì)PCB板上的傳導(dǎo)與輻射噪聲就行控制和優(yōu)化，以改善系統(tǒng)的EMC性能，同時(shí)設(shè)計(jì)必要的防護(hù)措施對(duì)PCB的敏感電路進(jìn)行保護(hù)。

PCB傳導(dǎo)噪聲分析

PCB板上的各個(gè)芯片之間都需要有信號(hào)及電源走線面進(jìn)行相互連接，隨著頻率的升高和走線數(shù)量的增加，電磁能量越來(lái)越容易在各個(gè)信號(hào)與電源平面之間傳播，產(chǎn)生EMC傳導(dǎo)干擾，設(shè)計(jì)者需要快速定位耦合路徑及強(qiáng)度，以找到合適的解決辦法。有下面的實(shí)際案例中，Ansys的SIwave允許用戶在系統(tǒng)中任意地方添加端口，并評(píng)估兩者之間的隔離度，以查找最有可能的耦合路徑。

在確定信號(hào)的耦合路徑之后，SIwave還可以和Designer協(xié)同仿真，直接添加芯片的IBIS模型，查看信號(hào)真實(shí)工作狀態(tài)下的干擾情況。

Ansys的SIwave可以針對(duì)完整的系統(tǒng)無(wú)源結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的隔離度分析，方便快捷，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Desginer電路仿真平臺(tái)將系統(tǒng)無(wú)源結(jié)構(gòu)與有源芯片結(jié)合，準(zhǔn)確分析系統(tǒng)中的傳導(dǎo)噪聲。

PCB輻射噪聲

在整個(gè)PCB板上存在著眾多的頻率分量，設(shè)計(jì)中的阻抗不連續(xù)，過(guò)孔等非理想因素所導(dǎo)致的反射，串?dāng)_等情況，非常容易將這些電磁能量輻射到空間中，影響其他部件的正常工作。實(shí)際上這些電磁能量的輻射與設(shè)計(jì)的層疊，電源地平面形狀等結(jié)構(gòu)形成電磁諧振箱體息息相關(guān)，但傳統(tǒng)的二維仿真工具，會(huì)采用的理想化的處理手段，無(wú)法考慮電源平面分割等非理想因素。

Ansys的SIwave可以幫助設(shè)計(jì)者在初期就考察PCB結(jié)構(gòu)的本征諧振分布，進(jìn)行合理的器件布局，從源頭避免諧振的產(chǎn)生。

為真實(shí)評(píng)估PCB的輻射情況，Ansys的SIwave與Designer可以相互調(diào)用，進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真，將Designer計(jì)算出的實(shí)際工作波形自動(dòng)回推到SIwave的三維結(jié)構(gòu)當(dāng)作真實(shí)的激勵(lì)源。

通過(guò)SIwave特有的EMC近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)仿真功能，設(shè)計(jì)者可以非常方便的得到系統(tǒng)在真實(shí)工作狀態(tài)下的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射曲線和近場(chǎng)輻射分布圖。

在整個(gè)PCB輻射仿真流程中，Ansys可以幫助設(shè)計(jì)者考察PCB結(jié)構(gòu)的本征諧振，從源頭規(guī)避諧振的產(chǎn)生，并在仿真時(shí)考慮非理想電源地等實(shí)際情況的影響，通過(guò)SIwave與Designer的場(chǎng)路協(xié)同仿真，得到PCB板在實(shí)際工作狀態(tài)下的近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。

PCB輻射控制與優(yōu)化

Ansys的仿真平臺(tái)不僅可以幫助設(shè)計(jì)者得到真實(shí)的PCB輻射，還可以幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行必要的控制與優(yōu)化。在下面的實(shí)例中，設(shè)計(jì)者使用Designer與SIwave對(duì)信號(hào)的SI與輻射同時(shí)進(jìn)行仿真，評(píng)估信號(hào)串聯(lián)電阻對(duì)SI/EMI的影響。

從結(jié)果中，可以看到SI/EMI之間存在矛盾性，增加信號(hào)的串聯(lián)電阻，雖然降低了EMI輻射，但也使得信號(hào)的上升沿變緩，導(dǎo)致信號(hào)的時(shí)序受到較大影響。但通過(guò)SI/EMI的聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)者可以在二者之間取得完美平衡。

電源的噪聲波動(dòng)是EMI輻射的另外一個(gè)重要來(lái)源，SIwave可以幫助設(shè)計(jì)者快速提取電源地平面的交流阻抗，并查看整個(gè)電源平面的能量傳播方式，為去耦電容策略提供參考。

通過(guò)SIwave的模塊PI_advisor，設(shè)計(jì)者還可以將此過(guò)程完全自動(dòng)化，設(shè)計(jì)者只需給PI_advisor指定優(yōu)化目標(biāo)，就可以根據(jù)要求對(duì)電容種類和數(shù)量等進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。

在整個(gè)PCB輻射的優(yōu)化過(guò)程中，Ansys的仿真工具允許設(shè)計(jì)者進(jìn)行SI/EMI、PI/EMI的協(xié)同仿真，既考慮兩者之間的矛盾性，也考慮兩者之間的一致性，可操作性強(qiáng)，仿真結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，并且能夠自動(dòng)進(jìn)行去耦電容的優(yōu)化，方便快捷。

PCB EMS仿真

PCBEMC設(shè)計(jì)中，不僅要控制PCB的對(duì)外輻射，設(shè)計(jì)者還需要對(duì)PCB進(jìn)行必要的保護(hù)，以避免PCB電路因受到外界電磁能量的干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。由于EMS保護(hù)器件通常都是非線性器件，為了仿真PCB受到電磁干擾之后的影響，設(shè)計(jì)者不僅要提取精確的PCB模型，還要精確模擬EMS干擾信號(hào)和保護(hù)器件，查看干擾信號(hào)在PCB電路及三維結(jié)構(gòu)中的能量分布，以此評(píng)估PCB電路的抗干擾性能。因?yàn)橥ǔ５?a href="http://www.ttokpm.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路會(huì)加重系統(tǒng)負(fù)載，還要進(jìn)行EMS與SI的協(xié)同仿真，避免設(shè)計(jì)出的保護(hù)電路影響PCB的信號(hào)質(zhì)量。

Ansys的Designer本身自帶豐富的模型庫(kù)，可精確模擬各種類型的干擾信號(hào)及非線性保護(hù)器件。

設(shè)計(jì)也可以使用Ansys的三維仿真工具Q3D和HFSS查看干擾信號(hào)進(jìn)入PCB之后的能量分布，并在其感應(yīng)路徑上進(jìn)行接地和隔離等處理，以避免干擾信號(hào)對(duì)芯片等重要器件的影響。

Ansys的EMS仿真能夠?qū)φ鎸?shí)的干擾信號(hào)和保護(hù)器件進(jìn)行精確建模，確保了仿真結(jié)果的可信性，并能夠進(jìn)行EMS/SI的協(xié)同仿真，使得設(shè)計(jì)者全面把握PCB設(shè)計(jì)中的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，三維仿真工具的應(yīng)用設(shè)計(jì)者能夠考慮PCB系統(tǒng)的精確結(jié)構(gòu)，更加有效的制定優(yōu)化方案。

PCB RS仿真

Ansys SIwave軟件具備PCB的RS直接仿真能力，可以仿真在任意方向和極化形式的平面波照射下，在PCB上指定位置的感應(yīng)電壓。這種仿真方法能夠在僅僅知道干擾頻段，但是具體干擾波形未知的情況，提前評(píng)估PCB上關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)對(duì)外加電磁輻射干擾的。SIwave軟件在仿真過(guò)程中充分利用PCB結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能夠在提供與全波算法類似精度的同時(shí)，提升仿真速度10倍以上。

審核編輯：劉清