基于ANSYS電磁兼容仿真平臺的仿真EMI設計

ANSYS電磁兼容仿真設計軟件用于電子系統(tǒng)電磁兼容分析，包括PCB信號完整性、電源完整性和電磁輻射協同仿真，數?；旌想娐返脑肼暦治龊鸵种?，以及機箱系統(tǒng)屏蔽效能和電磁泄漏仿真，確保系統(tǒng)的電磁干擾和電磁兼容性能滿足要求。

一、購置理由

現代電子系統(tǒng)設計面臨越來越惡劣的電磁工作環(huán)境，一方面電子系統(tǒng)包括了電源模塊、信號處理、計算機控制、傳感與機電控制、光電系統(tǒng)及天線與微波電路等部分，系統(tǒng)內部相互不發(fā)生干擾，正常工作，本身就非常困難；另一方面，在隱身、電子對抗、靜放電，雷擊和電磁脈沖干擾等惡劣電磁環(huán)境下，設備還需要有足夠的抗干擾能力，為電路正常工作留有足夠的設計裕量。為了確保xx系統(tǒng)的工作可靠性，設備必須通過相關的電磁兼容標準，如國軍標GJB151A，GJB152A。

長期以來，設備的電磁兼容設計和仿真一直缺乏必要的仿真設計手段，只能依賴于設備后期試驗測試，不僅測量成本高昂，而且，如果EMI測量超標，后續(xù)的查找問題和修正問題基本上依賴于經驗和猜測。而解決電磁兼容問題，也只能靠經驗進行猜想和診斷，采取的措施也只能通過不斷的試驗進行驗證，這已經成為制約我們產品進度的重要原因。

目前我所數字電路設計的經驗和手段已經有很大改善，我們在復雜PCB布線、高速仿真方面取得了很多的成果和經驗，并且已經開始高速通道設計的預研。在相關PCB布線工具的幫助下，將復雜的多電源系統(tǒng)PCB布通，確保集成電路之間的正確連接已經基本上沒有問題。但是隨著應用深入，也存在一些困難，特別在模擬數字轉換、高速計算與傳輸PCB和系統(tǒng)的設計中，我們不僅要保證電路板的正常工作，還要提高關鍵性的技術指標，例如數模轉換電路的有效位數、信號傳輸系統(tǒng)的速率和誤碼率等，此外，還要滿足整個衛(wèi)星電子系統(tǒng)的電磁兼容/電磁干擾要求，為此，我們迫切需要建立的仿真功能包括：

高速通道中，連接器，電纜等三維全波精確和建模仿真，這些結構的寄生效應對于信號的傳輸性能有至關重要的影響；

有效的PCB電源完整性分析工具，對PCB上的電源、地等直流網絡的信號質量進行仿真

為提高仿真精度，需要SPICE模型，IBIS模型和S參數模型的混合仿真

需要同時進行時域和頻域仿真和設計，觀察時域的眼圖、誤碼率，調整預加重和均衡電路的頻域參數，使得信號通道的物理特性與集成電路和收/發(fā)預加重、均衡等相配合，達到系統(tǒng)性能的最優(yōu)

有效的PCB的輻射控制與仿真手段，確保系統(tǒng)EMI性能達標。

現在EDA市場上已經有一些SI/PI和EMI/EMC仿真設計工具，但存在多方面的局限性。我們的PCB布線工具雖然能解決一定的問題，但是，由于工具本身主要是以布線功能為主，結合規(guī)則約束進行設計的，在解決我們上述問題時存在著明顯的局限，主要有：

主要以等效電路法建模與仿真，仿真的結構有限制，功能不完備，如不能仿真非理想的電源/地，不能充分考慮信號線的跨越分割和轉換參考平面等，對于EMI/EMC，只能做規(guī)則約束，無法進一步仿真。

基本上都是以單點工具，也就是說，一個公司的工具只能滿足部分設計功能，在工程應用當中，不可避免地會帶來接口、仿真結果一致性等多方面問題，影響軟件工具的使用效果。

在高速串行通道的仿真中，由于高速串行通道的信號傳輸速率較高，信道中的模型多用S參數建立或由電磁場仿真工具得到，而S參數的本質是頻域的，傳統(tǒng)的工具中對于S參數的仿真功能非常有限，經常仿真不收斂或花費很長時間，無法在工程實際中準確評估整個信號通道的特性。

對于PCB的輻射，只能給出原則性的規(guī)則約束，而實際設計中，很多因素相互矛盾，只能依賴經驗進行取舍，無法考慮電纜、機箱等三維結構的影響，不能保證最后的設計效果。

仿真結構有限制，對于機箱的屏蔽結構，不能仿真任意形狀的屏蔽網結構，限制了設計思想，或者仿真時間過長，精度不足，缺乏工程實用價值。

國內外眾多成功經驗證明，電子產品的SI/PI，EMI/EMC仿真和高速通道性能仿真，需要進行兩方面的仿真——即電磁場仿真和電路仿真。電磁場仿真主要是研究結構對系統(tǒng)SI/PI ，EMI/EMC以及高速串行通道的影響，根據機構的物理特性（幾何結構和材料特性），通過電磁場計算，提取PCB、連接器、線纜等的寄生效應，生成S參數或Spice等效電路模型，或者直接得到結構的輻射特性和串擾特性，用于設計指導和性能改進。在電磁場仿真的同時，電路仿真也是必不可少的。一方面，電路仿真工具能夠將非線性器件和電磁場仿真得到的結構等效電路結合到一起，通過仿真得到信號的波形和頻譜，包括時鐘線、數據線和電源/地平面的波形、串行通道的眼圖和浴盆曲線等，直觀地考察系統(tǒng)的SI/PI和傳導EMI特性。 另一方面，對于輻射干擾來說，EMI輻射的強度不僅與結構相關（通過電磁場仿真進行研究），還與參與輻射的信號頻譜強度相關，頻譜強度必須通過電路仿真才能得到。

由于系統(tǒng)電磁兼容設計牽扯到電路設計、結構設計很多細節(jié)，出于保密和知識產權保護，無法與通過外包或第三方合作方式解決。通過建立電磁兼容仿真平臺進行電磁兼容設計，不僅可以提高設計可靠性和效率，也可以幫助設計師增加電磁兼容的知識和經驗，提高設計能力。以往這種經驗和能力僅限在一兩設計的文檔中，或者個別個設計師個人電腦中，無法更大范圍的共享，造成大量知識和經驗丟失。

二、技術要求及設備選型情況

1．技術要求

系統(tǒng)電磁兼容仿真軟件需要能夠同時提供高性能電路仿真和電磁場仿真的軟件供應商，同時，電路和電磁場仿真工具還能集成在一起，實現雙向調用，為設計帶來極大方便，仿真軟件主要功能包括：

電源完整性設計仿真

仿真多層、任意形狀的電源和地層，快速得到整個電源和地結構的諧振頻率和諧振狀態(tài)下的電壓分布，用于優(yōu)化退耦電容和關鍵性元器件的布局；仿真板上放置去耦電容的作用及布局，不僅可以計算任意的電源/地形狀，還可以考慮退耦電容的寄生效應，軟件可以通過多種方式定義退耦電容：并聯測試RLC 等效電路、串聯測試RLC等效電路或S參數文件；軟件提供世界主流廠商的貼片電容元件庫，可以非常方便地加入用戶自定義器件模型。支持埋容層和頻變材料特性；能夠仿真分割的電源/地平面之間的耦合與隔離；直接得到任意電源/地平面的特性阻抗等參數，用于改進設計。

信號完整性設計與參數抽取

擁有完備的信號完整性仿真能力，通過電磁場方法直接得到PCB上信號線的真實傳輸特性，充分考慮PCB信號線的各種不連續(xù)性效應，包括信號的傳輸與反射、遲延，拐角、過孔效應，過孔耦合、信號線換層或跨越分割的參考平面，信號線與電源/地之間的噪聲耦合等各種效應，直接得到信號線真實的S參數特性，并且可以輸出S參數模型包括差分S參數模型，同時支持多種Spice等效電路模型輸出，用于進一步的時域仿真。具有虛擬時域反射/傳輸測量功能，能夠得到信號的時域傳輸與反射，耦合與串擾特性，用于信號完整性設計。

直流壓降仿真與可靠性驗證

能夠仿真供電系統(tǒng)的直流特性，直觀地顯示整個PCB上電流的流向和電路密度、直流壓降等特性，通過設置閾值，能夠自動診斷PCB上的過孔和信號線，進行可靠性驗證，標示出電流密度超標的過孔和信號線，避免由于局部電流過大造成的PCB失效，或者由于直流壓降過大造成的工作不正常。還能降電流產生的損耗與熱仿真工具工具結合仿真系統(tǒng)通風和散熱。

PCB輻射仿真

能夠方便地定義電壓源和電流源，用于PCB的輻射特性仿真，包括進場和遠場特性、得到空間輻射分布、最大輻射場強隨頻率變化曲線等關鍵性EMI/EMC數據。輻射計算時，不僅能定義理想信號源，還可以通過文本格式導入信號幅度隨頻率變化的頻變信號源，或者通過與Designer SI 的雙向數據交換，直接導入電路仿真得到的真實信號源，精確仿真PCB的真實輻射特性。

多種參數模型，和多種仿真方法

針對現代電路和PCB特點，提供并支持多種器件模型，包括IBIS，Spice， S參數，AMI模型等。對于高速通道常用的頻域S參數模型，軟件不僅支持卷積法仿真，還支持狀態(tài)空間法仿真，從而確保了仿真的因果性，降低了對S參數文件數據的要求，同時又保證了求解的速度和精度，同時，可以實現了模型自動語法檢查和復用，對于同一個參數模型文件，只需進行一次模型的導入，再次仿真直接調用狀態(tài)空間模型，從而大大提高運行效率。

多種種眼圖算法

現代設計的高速通道仿真，需要快速得到串行通道的誤碼率。軟件能夠讀入Spice網表模型和子電路、電磁場仿真模型、測量或輸入的S參數模型、文本格式的數據波形、文本格式的碼流文件等，進行線性和非線性電路的時域瞬態(tài)仿真，具備收斂算法和自動時間步長功能，確保仿真的速度和精確性。具有瞬態(tài)眼圖、快速眼圖和眼圖驗證三種眼圖算法，能夠相互驗證，支持串擾眼圖，確保仿真的正確性和理論基礎，得到信號波形、誤碼率、統(tǒng)計眼圖、浴盆曲線、等高線眼圖等結果，從而實現高速通道的快速準確仿真。

系統(tǒng)/整機的EMI/EMC設計仿真

通過精確的三維結構的電磁場仿真，得到電磁場強度分布和輻射特性，諧振模式等；從而可以準確的研究評估電子設備/系統(tǒng)的EMI/EMC，比如：設備的電磁泄漏，機箱機柜屏蔽效應設計，天線布局和互耦效應，輻射強度等。

高速關鍵路徑/復雜的三維高速結構的EMI/EMC/SI設計仿真

對于高速關鍵路徑，如：子電路板/背板的高速信號線、過孔，電纜、封裝、連接器等，可以仿真得到S參數等，分析信號的傳輸，反射，匹配特性，計算輻射和色散、模式轉換和材料頻變效應等對信號傳輸的影響，并進一步設計和優(yōu)化。

與第三方工具流暢的接口

可以方便導入各種PCB和結構設計數據，加以仿真。

2. 設備調研及選型情況

針對電磁兼容仿真平臺，我們對多家廠商的產品也進行了調研，包括美國ANSYS和Cadence公司。

美國ANSYS公司是全球最大的CAE仿真軟件提供商，其產品涉及領域跨電磁，流體，結構和熱等多個領域。其中電磁仿真軟件覆蓋射頻微波、PCB SI/PI/EMC、芯片設計驗證、機電系統(tǒng)等領域。ANSYS 公司具備完備的系統(tǒng)電磁兼容仿真平臺，包括：高速設計環(huán)境和仿真平臺Designer SI（包含瞬態(tài)非線性電路仿真和快速眼圖、眼圖驗證和瞬態(tài)眼圖），專門針對PCB整版全波仿真的SIwave， 高頻結構仿真工具HFSS，用于機箱屏蔽設計和系統(tǒng)EMI/EMC仿真，優(yōu)化和參數掃描模塊Optimetrics，以及和EDA工具的接口Ansoftlinks for EDA， 多處理器模塊等，構成基本軟件平臺。針對不同類型的結構，利用針對性的電磁場進行仿真合抽取，并組裝到電路仿真工具Designer SI中進行瞬態(tài)仿真，得到模型、頻譜和眼圖，仿真的頻譜還可以用于PCB的輻射分析，并進一步仿真PCB經機箱屏蔽后的輻射強度，從而全面、精確、快速地實現系統(tǒng)SI/PI 和EMI/EMC設計。

美國Cadence公司的主要產品是全定制IC設計仿真，數?；旌螴C設計仿真，封裝和SiP設計仿真軟件提供商，PCB仿真軟件是其中很小的一部分。Cadence 能夠同時提供從芯片到封裝、再到PCB設計仿真的全流程工具，其PCB仿真工具Allegro SI/SQPI與PCB布板工具Allegro結合緊密，使用簡單，仿真速度快。仿真得到的結果可以直接轉化為設計約束，反標回PCB設計，作為布局布線的設計規(guī)則。但是，Cadence公司沒有電磁場仿真工具，只有時域而沒有頻域分析能力。無論SI還是PI仿真，都基于電路法的時域分析。仿真精度差，對器件有源模型依賴度高。Cadence的信號完整性和電源完整性相對獨立，無法反映二者之間的相互作用。缺少電磁場仿真功能。

Cadence工具的特點：

PCB仿真工具Allegro SI/SQPI與PCB布板工具Allegro結合緊密，時域信號完整性仿真簡單易用。

適合幾百兆以內的高速信號完整性分析，但是缺乏電磁場仿真功能，頻域仿真功能較弱。

Cadence的信號完整性和電源完整性相對獨立，沒有協同設計能力，其電磁兼容仿真只是做設計規(guī)則檢查，并不能仿真實際電路布局布線影響EMI效果。

三、設備描述

1、美國ANSYS公司是全球最大的CAE仿真軟件提供商，其產品涉及領域跨電磁，流體，結構和熱等多個領域。其中電磁仿真軟件覆蓋射頻微波、PCB SI/PI/EMC、芯片設計驗證、機電系統(tǒng)等領域。其中的PCB 寄生參數提取和SI/PI/EMI分析工具SIwave，高頻結構仿真工具HFSS作為電磁場仿真的標準工具，是高速通道設計和系統(tǒng)電磁兼容設計仿真的必備軟件。電磁場工具之間和不同的電磁場仿真模型之間也可以互相調用，能夠大大簡化和加快EMI/EMC問題的仿真和定位，給出設計指導，這是其他任何廠商所不具備的。

ANSYS的電磁仿真設計軟件方案，已經在國內的中興、華為、中電14所、航天一院12所，14所，航天4院17所，航天5院501所，502所，504所，513所， Nokia中國研發(fā)中心和Rockwell、Marvell，HP、Motorola、LG、Sumsung等得到了成功應用，這些單位，既有軍工研究所，還有商業(yè)企業(yè)和著名的跨國公司。

2、所選產品的詳細說明

ANSYS的電磁仿真環(huán)境，由ANSYS工具與第三方EDA工具的接口AnsoftLinks，PCB電磁場仿真工具SIwave，三維高頻結構全波電磁場仿真工具HFSS，信號完整性電路仿真分析工具Designer SI，電磁兼容自動優(yōu)化模塊PI Advisor組成。

軟件模塊描述

DesignerSI： ANSYS高速電路、系統(tǒng)仿真工具。

DesignerSI將電路設計，PCB版圖和三維電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環(huán)境的設計工具， 將高速設計所需的電路/系統(tǒng)時頻域仿真技術和電磁場模型提取無縫地集成到一個自動化的設計環(huán)境中，在電路設計中全面考慮PCB、線纜等的影響，，為系統(tǒng)協同設計與驗證提供了一套最完整的系統(tǒng)級解決方案。

DesignerSI獨有的“按需求解”的技術，它使你能夠根據需要選擇求解器，從而實現對設計過程的變量掃描，得到滿足EMI相關標準的PCB布線，電纜選型和排布方式，開孔位置和大小等規(guī)則，從而指到電路和電氣設計。DesignerSI提供了多種仿真技術，包括頻域和時域系統(tǒng)仿真器、線性電路仿真器、諧波平衡仿真器、包絡仿真器、瞬態(tài)仿真器、矩量法多層平面結構電磁場仿真器等，方便對高速電路和EMI問題進行時域和頻域的仿真分析。

SIwave：PCB高速電路和電磁兼容仿真優(yōu)化工具。

SIwave基于快速有限元法的PCB電磁場全波仿真算法，徹底突破了PCB 布線工具和加工工藝的種種限制，能夠提取實際三維結構、包括非理想的電源/地平面在內的全波通道參數，精確仿真信號線的真實工作特性，精確度可以達到50GHz以上。此外，SIwave還可以仿真分析整個PCB的全波效應，對于真實復雜的PCB設計，包括多層、任意形狀的電源和信號線， 可快速仿真整個電源和地結構的諧振頻率，用來考察PCB板上關鍵器件的位置和關鍵網絡的布線路徑中潛藏輻射干擾源，并模擬放置去耦電容后對諧振的作用及影響；可以通過在電源和地等直流網絡上設置端口，可以考察電源供電阻抗，了解電源分配系統(tǒng)（PDS）性能，并模擬放置去耦電容后對電源阻抗的影響；考察信號線和電源或地之間的耦合，了解同步開關噪聲，仿真PCB電源完整性；可以添加獨立源和頻率變化的受控源做掃頻分析，模擬數字電源或者數字信號對于敏感信號和敏感位置以及整個PCB的影響，從而評估電路中的干擾分布；可以做近場和遠場的輻射分析，考察PCB的輻射特性。SIwave的DC直流分析，可以仿真走線和平面甚至過孔上的電流分布密度和直流壓降。SIwave的仿真結果可以二維或三維圖形顯示，并可輸出Spice等效電路模型用于時域仿真和系統(tǒng)的頻域分析。SIwave支持Windows，Linux和Solaries操作系統(tǒng)，支持多CPU的64位超線程計算機系統(tǒng)。

電磁兼容自動優(yōu)化模塊PI-Advisor

電磁兼容自動優(yōu)化工具，用于PCB或SiP設計前和設計后的電源完整性優(yōu)化策略，可以在PCB設計前，根據信號工作的頻率和噪聲要求，選取合適的電容類型和數量；在PCB設計后期，評估去耦電容的效果，并根據性能、成本、電容種類等指標自動優(yōu)化PCB上的退耦電容，達到抑制噪聲的目的。

HFSS三維高頻結構電磁場仿真器

計算任意三維無源結構的高頻電磁場仿真軟件。它應用切向矢量有限元法求解射頻、微波器件的電磁場分布，計算由于材料和輻射帶來的損耗。可直接得到特征阻抗、傳播系數、S參數及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。可進行器件級和系統(tǒng)級EMI/EMC以及系統(tǒng)天線布局評估，研究機箱/機柜的屏蔽效應和汽車、衛(wèi)星、飛機、艦船等各種平臺系統(tǒng)天線間的互耦影響，計算無線系統(tǒng)中數字和射頻信號之間的相互干擾。

AnsoftLinks接口軟件

AnsoftLinks是 Ansoft工具和其他CAD、EDA設計工具的接口。通過AnsoftLinks，可以分析包括Protel，PowerPCB，BoardStation，ExpeditionPCB，Allegro和CR-5000在內的多種PCB格式數據；也可以導入AutoCAD，Pro/E，STEP，IGES，ACIS等機械結構設計文件。

軟件模塊特點：

功能完備：我們的電子設備涵蓋了高速數字電路、數模混合電路、微波射頻電路，和電源與控制系統(tǒng)等多個專業(yè)部門。這些部分通過PCB，線纜，連接器實現互聯，裝配在一起。ANSYS電磁兼容仿真平臺能夠滿足高速數字電路、數?；旌想娐?、微波射頻電路，和電源與控制系統(tǒng)的仿真能力，具備PCB、電路、線纜連接器、電源、機箱的建模和仿真能力。而且這些工具可以相互調用，協同仿真，滿足系統(tǒng)的需要。

集成化：電磁兼容的三要素包含了輻射源、輻射路徑和被干擾體。單純的從一個要素入手，比如降低輻射源，或者保護被干擾體，都不是最合理的辦法。ANSYS電磁兼容設計的關鍵之一是前期的合理指標分配，在輻射源、輻射路徑和被干擾體之間找到平衡，合理分配各個子系統(tǒng)的電磁輻射指標，以及線纜孔縫的電磁泄露或隔離度。從而在設計后期，減小設計的電磁兼容壓力，避免問題在最后一刻爆發(fā)帶來的風險的設計延遲。ANSYS的電磁兼容仿真設計軟件還可以與ANSYS公司的結構、流體和熱仿真工具集成在統(tǒng)一環(huán)境下，相互調用，實現多物理場耦合仿真。

流程和標準化：電磁兼容仿真盡管可以減小設計反復次數，但是一次仿真，需搜集模型或者自建模型和仿真，也需要花費大量時間和精力。隨著設備系列化以及設計任務的增加，建立電磁兼容設計流程勢在必行。依靠規(guī)范固定的電磁兼容設計流程，不僅可以將復雜的系統(tǒng)電磁兼容建模仿真工作簡單化，降低對設計師對仿真的畏難情緒，還可以降低每次建模仿真的工作量，復用以前的仿真結果，極大提高設計仿真效率。ANSYS基于電磁兼容仿真平臺，提供一套完備的EMI設計仿真流程。
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