摘要：基于数字样机的多学科协同设计，是应对传统的印制电路板（PCB：PrintedCircuitBoard）设计周期长、成本高和一次设计成功率低等不足的重要技术手段，已被广泛地应用于电子产品的研发设计中。PCB协同设计主要是对其功能、性能和可靠性等方面进行评估和改进，涉及到多物理场、多学科的仿真软件工具集。针对日益复杂的电子设备电磁兼容设计，提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法。
关键词：信号完整性；电源完整性；PCB；电磁兼容；协同仿真；方法研究
1、前言
随着电子设备高速化、低功耗、小型化的飞速发展，PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）设计人员面临的信号完整性、电源完整性与电磁兼容性问题日益突出，已成为高可靠性PCB设计的瓶颈之一。信号完整性、电源完整性与电磁兼容性问题不是独立的现象，核心都是电磁场问题，它们之间相互影响，1个方面的改善可促进另2个方面的改善，割裂、单一地进行分析不能全面解决问题，只有对三者进行整体的分析研究才能解决高性能、高可靠PCB设计所面临的难题，从根本上提高PCB的电磁兼容性能。
2、基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法
针对目前日益突出的SI，PI和EMC问题及它们之间紧密的联系，本文提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法，其核心是基于电磁场和电路仿真结合的方法从SI，PI和EMC这3个方面对PCB进行整体的、全流程的仿真，从3个方面来提高PCB设计的电磁兼容性，仿真方法与流程如图1所示。
图1 PCB 电磁兼容的协同仿真方法与流程
PCB的电源平面与地平面相当于一个谐振腔，具有谐振特性，利用电磁场仿真分析方法分析PCB电源平面与地平面谐振，查看谐振频率点及谐振电压分布，避免PCB的工作频率落到谐振频率附近，避免关键芯片的布局位置位于谐振电压峰值处，从而减少噪声的耦合和辐射发射。
稳定干净的电源是PCB正常工作的基本保证，进行电源平面阻抗仿真分析，查看所关注电源平面的阻抗是否低于目标阻抗值，若平面阻抗高于目标阻抗，添加去耦电容或优化PCB叠层设计降低电源与地平面之间的阻抗，以减少电压波动对芯片工作的影响。过大的直流电压压降会引起芯片工作异常，通过分析电源平面电流及电压分布，减少不合理的电源平面分割所造成电流分布密度过大和电压压降过大的问题。
信号完整性分析主要从信号的时序、电压等方面考察信号质量，确保信号能正常到达接收端，同时减少噪声的产生和传播，利用电磁场仿真方法提取PCB上关键信号网络的参数模型，结合芯片模型搭建仿真电路进行电路仿真，查看关键信号网络的信号质量，通过调整布线等手段优化信号质量较差的电路网络。PCB辐射仿真分析有助于掌握单板各部分的辐射情况，将关键芯片驱动端输出作为辐射源放置到PCB上芯片实际管脚位置，进行辐射仿真，查看PCB单板辐射，对于辐射较大处可以通过抑制手段来降低单板辐射。
基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法通过电磁场仿真与电路仿真相结合从SI，PI和EMC这3个方面进行全流程的协同仿真，全面解决PCB设计中潜在的电磁兼容问题。PCB电磁兼容协同仿真同时提出一种新的设计理念和解决问题的方法，即设计人员在进行PCB设计时要从SI，PI和EMC这3个方面进行统筹兼顾，当遇到其中任何一方问题时，除关注本方面问题外，还需从另外2个方面加以考虑，以便更快速有效地解决问题。
本文使用商用EDA软件搭建PCB电磁兼容协同仿真平台，如图2所示。图中，Altium Designer是PCB设计工具，用来完成原理图和PCB设计，输出仿真用的PCB布局布线数据。SIwave为精确的整板级有限元法全波电磁场仿真工具，能分析任意复杂PCB结构的电磁特性；Designer为电路仿真工具，提供了多种仿真技术，可进行时域和频域的仿真分析。利用电磁场仿真工具SIwave进行PCB的谐振分析、PI分析并提取关键信号线的参数；利用电路仿真工具Designer结合电磁场仿真工具提取的关键信号线参数模型以及芯片模型进行电路分析，输出关键芯片驱动端辐射源作为干扰源返回到SIwave中进行PCB板辐射分析。PCB单板辐射分析结果可以作为辐射源结合单机机箱结构进行单机结构辐射仿真分析。
图2 PCB 电磁兼容协同仿真平台
3、仿真实例
在某综合控制器主机板PCB设计中，使用PCB电磁兼容协同仿真方法从信号完整性、电源完整性及电磁兼容性3个方面进行了全流程的协同仿真，本文只选取其中较为典型的仿真工作进行介绍。
3．1电源平面阻抗分析
1．8V电源平面为核心DSP芯片的内核供电，噪声容限低，在可容忍5%的电压波动的条件下1．8V电源平面的目标阻抗值为0．703Ω，仿真的频率范围0～250MHz，即在0～250MHz的频率范围内1．8V电源平面阻抗应低于0．703Ω，初步仿真分析结果如图3中实线所示。
图3 仿真优化前后 1． 8 电源平面阻抗曲线
从图中可知，在139．3M～235．8MHz频率范围内1．8V电源平面阻抗高于目标阻抗。为了降低平面阻抗，在1．8V电源平面与地平面之间增加去耦电容，添加电容优化后的平面阻抗仿真结果如图3所示，从图中可知在0～287．6MHz频率范围内，1．8V电源平面的阻抗低于目标阻抗，满足DSP内核工作电压的要求。使用同样的仿真分析方法将主机板PCB上3．3V和5V电源平面的阻抗值均控制在目标阻抗值范围内。
3．2信号完整性分析
选取PCB上关键信号网络DSP的数据总线（D0～D31）进行仿真分析，DSP数据总线分别与FPGA、总线驱动器245和锁存器373相连。选取信号走线最长与最短的数据总线D0与D31进行仿真分析，搭建仿真电路，芯片模型采用厂商网站提供的IBIS模型，PCB信号线的模型为电磁场仿真提取的SPICE模型。
3．3PCB辐射分析
可以将关键信号线的信号完整性仿真输出作为辐射源添加到PCB上芯片的实际管脚位置，进行单板辐射仿真，查看整板的辐射分布。主机板PCB的单板辐射仿真优化后辐射强度在0～300MHz频率范围内均有所降低，提高了电磁兼容性能。从仿真可知，通过对主机板PCB进行电磁兼容协同仿真分析解决了一些潜在的信号完整性和电源完整性问题，降低了PCB整板的电磁辐射。在实际投产后，综合控制器主机板工作稳定，未出现电磁兼容性问题。
4、结论
提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法，搭建协同仿真平台。在实际工程应用中，将该方法应用于某运载火箭综合控制器主机板PCB的仿真设计中，从信号完整性、电源完整性及电磁兼容性3个方面对主机板PCB进行了全面仿真优化，有效解决了PCB设计中一些潜在的电磁兼容性问题，提高了主机板PCB的可靠性。
参考文献：
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[2]臧建莲.电子元器件产品数据库的技术特点分析[J].电子元件与材料，2014，33（3）：93-94.
论文作者:陈娟,张晴,刘鸿
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：电源论文; 阻抗论文; 完整性论文; 信号论文; 平面论文; 电磁兼容论文; 电磁场论文; 《电力设备》2018年第19期论文;