PCB設計中的EMC/EMI問題分析

為了保證設計的PCB板具有高質(zhì)量和高可靠性,設計者通常要對PCB板進行熱溫分析,機械可靠性分析。由于PCB板上的電子器件密度越來越大,走線越來越窄,信號的頻率越來越高,不可避免地會引入EMC(電磁兼容)和EMI(電磁干擾)的問題,所以對電子產(chǎn)品的電磁兼容分析顯得特別重要。與IC設計相比,PCB設計過程中的EMC分析和模擬仿真是一個薄弱環(huán)節(jié)。

PCB設計中EMC/EMI分析的對象

在PCB設計中,EMC/EMI主要分析布線網(wǎng)絡本身的信號完整性,實際布線網(wǎng)絡可能產(chǎn)生的電磁輻射和電磁干擾以及電路板本身抵抗外部電磁干擾的能力,并且依據(jù)設計者的要求提出布局和布線時抑制電磁輻射和干擾的規(guī)則,作為整個PCB設計過程的指導原則。具體來說,信號完整性分析包括同一布線網(wǎng)絡上同一信號的反射分析,阻抗匹配分析,信號過沖分析,信號時序分析,信號強調(diào)分析等;對于鄰近布線網(wǎng)絡上不同信號之間的串擾分析。在信號完整性分析時還必須考慮布線網(wǎng)絡的幾何拓撲結(jié)構(gòu),PCB絕緣層的電介質(zhì)特性以及每一布線層的電氣特性。電磁輻射分析主要考慮PCB板與外部的接口處的電磁輻射,PCB板中電源層的電磁輻射以及大功率布線網(wǎng)絡動態(tài)工作時對外的輻射問題。如果電路設計中采用了捆綁于大功率IC上的散熱器(例如奔騰處理器外貼的金屬散熱器),那么這樣的散熱器在電路動態(tài)工作中如同天線一樣不停地向外輻射電磁波,因此必須列為EMC分析的重點?，F(xiàn)在已經(jīng)有了抑制電子設備和儀表的EMI的國際標準,統(tǒng)稱為電磁兼容(EMC)標準,它們可以作為普通設計者布線和布局時抑制電磁輻射和干擾的準則,對于軍用電子產(chǎn)品設計者來說,標準會更嚴格,要求更苛刻。對于高速數(shù)字電路設計,尤其是總線上數(shù)字信號速率高于50MHz時,以往采用集總參數(shù)的數(shù)學模型來分析EMC/EMI特性顯得無能為力,設計者們更趨向于采用分布參數(shù)的數(shù)學模型做布線網(wǎng)絡的傳輸線分析(TALC)。對于多塊PCB板通過總線連接而成的電子系統(tǒng)。還必須分析不同PCB板之間的電磁兼容性能。

EMC/EMI元件庫的支持

如今一塊電路板可能包括上百種來自于不同廠家、功能各異的電子元器件,設計者要進行EMC/EMI分析就必須了解這些元器件的電氣特性,之后才能具體模擬仿真。這在以往看來是一項艱巨的工作,現(xiàn)在由于有了IBIS和SPICE等數(shù)據(jù)庫的支持,使得EMC分析的問題迎刃而解。鑒于SPICE3,HSPICE,PSPICE這些數(shù)據(jù)模型已為廣大的電路設計者所熟知,在此著重介紹IBIS。IBIS(I/O Buffer Interface Specification),即ANSI/EIA-656,是一種通過測量或電路仿真得到,基于V/I曲線的I/O緩沖器的快速而精確描述電氣性能的模型。

1990年由INTEL牽頭、聯(lián)合數(shù)家著名的半導體廠商共同制定了IBIS V1.0的行業(yè)標準,經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展,于1997年更新為IBIS V3.0?，F(xiàn)在此標準已被NS、Motorola、TI、IDT、Xilinx、Siemens、Cypress、VLSI等數(shù)百家半導體廠商支持,同時Cadence、Mentor、Incases、Zuken-Redac等RDA公司在各自的軟件中也添加了有關IBIS的功能模塊。IBIS文件是一種文本文件,是通過標準軟件格式生成的"行為"信息的描述,以說明IC的模擬電氣特性。多數(shù)IBIS模塊來源于SPICF模型,也可用實際測量得到的V/I曲線描述模型。IC的SPICE模型是各半民體廠商立足的商業(yè)秘密,受到知識產(chǎn)權的保護,而IBIS模型是對用戶完全開放的數(shù)據(jù),所以設計者可以免費得到這些數(shù)據(jù)。大多數(shù)半導體廠商在自己的網(wǎng)站上或產(chǎn)品CD-ROM中發(fā)布相關IC的IBIS數(shù)據(jù)。由于EDA廠家和電子元器件廠商聯(lián)合支持IBIS和SPIICE等數(shù)據(jù)模型,設計者可以安心地將它們用于電路的模擬仿真或用于EDA工具中,輕松地進行EMC/EMI分析。

EMC/EMI模擬仿真與PCB設計相結(jié)合

以往的電子電路設計,工程師們多是憑借多年的開發(fā)經(jīng)驗在PCB制成后,在硬件調(diào)試或電子設備的整機調(diào)試過程中解決EMC的問題,這顯然是一種定性不定量的、不可靠、不精確的方法。進入90年代以來,電子產(chǎn)品向著低功耗、低電磁輻射,小型化和輕型化的方向發(fā)展,而且要求能在復雜惡劣的環(huán)境中工作,為了盡量縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,工程師們不得不另辟新徑。更理想的PCB設計流程如圖1所示,在PCB設計的布局和布線階段加入EMC/EMI的準則。例如為了減少并行信號走線間的相互串擾,可以為為規(guī)定線線之間的距離不能小于一定的值。為了減少信號的反射,使輸入輸出阻抗匹配,避免出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象,可以規(guī)定布線網(wǎng)絡的幾何拓撲結(jié)構(gòu),走線的長度,甚至于在信號的驅(qū)動端事輸出端端接阻容器件(常用的方法有串接電阻,并接上拉、下拉或上下接電阻,也可采用箝位二極管等方法)。在PCB布局布線結(jié)束后,在制作實際電路板之前對電路設計進行EMC/EMI的分析和模擬仿真。同時依據(jù)實際電路的動態(tài)工作頻率分析信號的強度、時延等特性。如果設計的PCB中含有與外部的接口,IC上外加了散熱器或電路本身功耗大時,必須進一步進行電磁輻射的模擬仿真分析。對于高速電路有必要進行布線網(wǎng)絡的TALC傳輸線分布參數(shù)分析。新加入的這些設計階段的步驟,實際上是把以前硬件調(diào)試的一些工作提前到計算機的設計平臺上來完成,其優(yōu)越性是顯而易見的。因為有IBIS和SPICE等數(shù)據(jù)庫的支持,以往EMC/EMI不定量的捉摸不定的分析變?yōu)榫_的與實測差別細微的計算結(jié)果,設計者根據(jù)模擬仿真的結(jié)果可以避免產(chǎn)品電磁兼容性差的弊病。

EDA開發(fā)廠商也漸漸注意到用戶在EMC/EMI模擬仿真領域的需求,德國的INCASES公司為設計者提供了EMC/EMI模擬仿真分析的軟件包EMC-WORKBENCH,成為該行業(yè)的領袖并多次主持了IEEE在EMC/EMI方面的研討會。EMC-WORKBENCH能夠滿足電路設計者在電磁兼容方面的迫切需求,改進了PCB設計的流程,簡化后期硬件調(diào)試中許多繁雜的工作。

IC內(nèi)部布局和布線時必須充分考慮EMC的問題;眾多的EPLD和FPGA軟件在生成最終熔絲圖之前也要分析EMC的問題;對于構(gòu)成電子系統(tǒng)的PCB必須分析電磁兼容和電磁干擾特性,這樣的設計原則正在越來越多的電路設計者中達成共識。由于有了EMC/EMI的模擬仿真使PCB的設計進入了新的時代,電子工程師們利用它可以在短期內(nèi)設計出高質(zhì)量高可靠性的產(chǎn)品。EMC/EMI模擬仿真分析的實施,必將給電路設計者和PCB制造業(yè)帶來無限商機。