中心議題：

• 印制板信號(hào)分析

解決方案：

• 信號(hào)完整性（SI）分析
• 電源完整性（PI）分析
• 電磁輻射（EMI）分析

印制電路板（PCB：PrintedCircuitBoard）目前已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片的頻率越來(lái)越高，PCB，特別是高速PCB面臨著各種電磁兼容問(wèn)題。傳統(tǒng)的基于路的分析方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確地描述PCB上各走線(xiàn)的傳輸特性，因此需要采用基于電磁場(chǎng)的分析方法充分考慮PCB上各分布式參數(shù)來(lái)分析PCB的電磁兼容問(wèn)題。

CST是目前全球最大的純電磁場(chǎng)仿真軟件公司。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于通信、國(guó)防、自動(dòng)化、電子和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。2007年CST收購(gòu)并絕對(duì)控股了德國(guó)Simlab公司，將其下整個(gè)團(tuán)隊(duì)和軟件全面納入CST的管理和軟件開(kāi)發(fā)計(jì)劃之中，同時(shí)在原有PCBMod軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)全新算法和功能，并更名為CST印制板工作室（CSTPCBSTUDIOTM）。通過(guò)把EMC仿真工作集成到整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程中去，可以幫助設(shè)計(jì)者大幅降低所設(shè)計(jì)產(chǎn)品通不過(guò)EMC測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)。這樣既可以幫助設(shè)計(jì)者提升對(duì)電磁現(xiàn)象的理解同時(shí)還可以幫助設(shè)計(jì)者有效的判斷哪種電磁設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品的性能水平。

CST印制板工作室相比業(yè)內(nèi)其他軟件最大的優(yōu)勢(shì)就是，它不只能解決印制板自身的電磁兼容問(wèn)題，如過(guò)孔導(dǎo)線(xiàn)器件之間EMC，基于CST設(shè)計(jì)環(huán)境（CSTDESIGNENVIRONMENT）其他工作室的協(xié)同仿真，CST印制板工作室還能解決印制板對(duì)外的電磁輻射和加載外部器件情況下的電磁兼容問(wèn)題，如與CST微波工作室（CSTMICROWAVESTUDIO?）協(xié)同仿真印制板加載在機(jī)箱中對(duì)周?chē)骷屯獠康碾姶泡椛?，加載外部設(shè)備和上層建筑后的電磁兼容問(wèn)題等等，工作室之間完全無(wú)縫連接，統(tǒng)一在CST設(shè)計(jì)環(huán)境下協(xié)同仿真，實(shí)現(xiàn)了印制板內(nèi)外系統(tǒng)的電磁仿真。

目前PCB的電磁兼容性問(wèn)題大致可以分為三類(lèi)：信號(hào)完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁輻射（EMI）。

印制板信號(hào)完整性SI

對(duì)于印制板整板或某些網(wǎng)絡(luò)走線(xiàn)間的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)是描述印制板上信號(hào)線(xiàn)信號(hào)完整性以及信號(hào)線(xiàn)間串?dāng)_度的定量表征。CST印制板工作室采用2D邊界元法（BEM）和2.5D部分元等效電路（PEEC）提取PCBLayout的分布式參數(shù)，并采用基于SPICE模型的仿真器對(duì)印制板進(jìn)行信號(hào)完整性仿真。圖1所示的是一印制電路板上的兩條走線(xiàn)。這兩條走線(xiàn)物理上沒(méi)有相連，當(dāng)走線(xiàn)上傳輸信號(hào)頻率比較低時(shí)，可以用基爾霍夫定律進(jìn)行分析，即這兩條走線(xiàn)是互不相關(guān)的。但是左邊走線(xiàn)的2號(hào)端口與右邊走線(xiàn)的3號(hào)端口間距比較近，當(dāng)這兩條走線(xiàn)上的信號(hào)頻率不斷上升時(shí)，它們之間分布式電容會(huì)導(dǎo)致原本不相連走線(xiàn)上的高頻信號(hào)串?dāng)_到另一條走線(xiàn)上。

圖1PCB模型

CST印制板工作室采用的部分元等效電路是基于積分形式的Maxwell方程，對(duì)PCB結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化成很小的電氣單元，用等效電路分別計(jì)算各單元間的耦合關(guān)系，從而生成等效電路矩陣，使電磁場(chǎng)的求解轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的等值電路方程的求解，是一種有效的電路參數(shù)建模和參數(shù)提取方法。如圖2所示的PEEC網(wǎng)格中，紅色部分表示電阻和自感，藍(lán)色部分表示的電容和互感。


圖2PCB網(wǎng)格

提取完模型參數(shù)后即可利用CST印制板工作室的S參量仿真器進(jìn)行廣義S參量的仿真。如圖3所示：

圖3S參量結(jié)果

采用CST印制板工作室的時(shí)域瞬態(tài)仿真器，并結(jié)合軟件自帶的眼圖輸入信號(hào)，即可進(jìn)行眼圖的仿真。仿真得到走線(xiàn)另一端的接收信號(hào)以及鄰近走線(xiàn)上的串?dāng)_信號(hào)。如圖4所示：


圖4眼圖輸入、輸出及串?dāng)_信號(hào)

除了CST印制板工作室，CST微波工作室也可以進(jìn)行印制板的信號(hào)完整性分析。CST微波工作室是通用的高頻無(wú)源仿真軟件，集時(shí)域和頻域算法為一體包含七種全波算法：時(shí)域有限積分、頻域有限積分、頻域有限元、模式降階法、矩量法、多層快速多極子和本征模法。圖5給出了CST仿真IBM復(fù)雜PCB并進(jìn)行信號(hào)完整性分析的考題，仿真得到的電壓延時(shí)與實(shí)測(cè)只差0.002ns。[page]


圖5IBM考題實(shí)物模型

圖6仿真結(jié)果

印制板的電源完整性PI

實(shí)際情況下電源回路的阻抗不是恒定的，而是頻率的某一函數(shù)。CST印制板工作室可以仿真由于印制板間各分布式參數(shù)導(dǎo)致的電源回路阻抗在各頻帶上特性，并可以幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)高阻頻段，通過(guò)改變布線(xiàn)或添加旁路電容等方法改善印制板的電源完整性。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，為了保證電源完整性，通常對(duì)電源回路的阻抗特性有一定要求。如圖7所示為一印制板的數(shù)字電源部分。對(duì)于該印制板，工程上對(duì)輸入阻抗的要求如圖8所示。


圖7PCB電源層

圖8輸入阻抗特性要求

用CST印制板工作室對(duì)該P(yáng)CB生成網(wǎng)格后，建立如圖9所示的電路以仿真裸板情況下的輸入阻抗特性。該電路中在原本加電容的位置用100MΩ代替以模擬開(kāi)路情況下的阻抗。


圖9裸板時(shí)的仿真電路

圖10裸板時(shí)的輸入阻抗特性曲線(xiàn)

顯然圖10顯示的裸板情況下的輸入阻抗的特性曲線(xiàn)在低頻時(shí)不滿(mǎn)足輸入阻抗的特性要求，在高頻時(shí)也有部分頻段超標(biāo)。要改善輸入阻抗的話(huà)可以考慮添加旁路電容，在仿真電路的電容位置加上容值為10nF的電容，同時(shí)為了更加準(zhǔn)確地模型實(shí)際的電容的特性，需要考慮電容自身的寄生電感和電阻。這里，將電容的寄生電感值設(shè)為1nH，電阻值設(shè)為0.01Ω。其仿真電路如圖11所示。


圖11仿真電路

圖12輸入阻抗特性曲線(xiàn)[page]

從圖12所示的輸入阻抗特性曲線(xiàn)可以看出：在加入旁路電容之后，在低頻段，電源的輸入阻抗特性已經(jīng)有了很大的改善，但是在高頻時(shí)仍有一些頻段超標(biāo)。從阻抗特性上可以看到在高頻段，阻抗已經(jīng)呈現(xiàn)電感的特性，因此高頻段的超標(biāo)極有可能是由于電容的寄生電感的造成的。為此可以考慮選用質(zhì)量更好的電容。這里，選用的電容的寄生電感為25pH，仿真電路如圖13所示。


圖13仿真電路

圖14輸入阻抗特性曲線(xiàn)

從圖14所示的輸入阻抗特性曲線(xiàn)中可以看到：選用寄生電感比較小的電容可以有效地抑制輸入阻抗的高頻段特性。從而保證在所要求的頻段上輸入阻抗均滿(mǎn)足要求。

隨著當(dāng)今集成電路對(duì)供電穩(wěn)定性的要求，印制板設(shè)計(jì)工程師需要關(guān)注于低電壓、低翻轉(zhuǎn)門(mén)限與大電流、多層長(zhǎng)線(xiàn)供電所造成的壓降。利用CST電磁工作室的穩(wěn)恒電流求解器可以仿真整個(gè)PCB的電壓分布，如圖15所示：

圖15IR-Drop分析

印制板電磁輻射EMI

對(duì)于電子產(chǎn)品的電磁輻射，國(guó)際電工委（IEC：InternationalElectrotechnicalCommission）制定了強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。通常，印制板都只是系統(tǒng)中的一部分，在進(jìn)行電磁輻射分析的時(shí)候除了要考慮印制板本身的輻射問(wèn)題外，還需要考慮系統(tǒng)中其它設(shè)備對(duì)對(duì)電磁輻射的影響，尤其是帶有通風(fēng)孔機(jī)箱的屏蔽效能。CST印制板工作室在進(jìn)行SI仿真的同時(shí)，可以得到印制板上電流分布的幅度和相位信息，并通過(guò)與CST微波工作室的協(xié)同將該電流分布作為激勵(lì)源，然后再加上機(jī)箱，充分考慮孔、縫對(duì)電磁輻射的影響。仿真的結(jié)果自動(dòng)與內(nèi)嵌的EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。




圖16電磁輻射的協(xié)同仿真

因此利用CST仿真軟件，根據(jù)不同的電磁兼容問(wèn)題，選擇合適的工作室和求解算法，可以有效地對(duì)印制電路板的電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行分析。同時(shí)利用軟件強(qiáng)大的圖像顯示功能，直觀地反映電磁場(chǎng)的空間分布，從而幫助印制板工程師準(zhǔn)確定位可能存在電磁兼容問(wèn)題的區(qū)域，在產(chǎn)品的研發(fā)階段及早發(fā)現(xiàn)并解決電磁兼容問(wèn)題。