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        基于PCB布線的電磁場仿真

        2012-11-17 05:27:18王磊
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2012年20期
        關(guān)鍵詞:電磁場設(shè)計(jì)

        王磊

        (青島理工大學(xué)琴島學(xué)院,山東 青島 266106)

        在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí),除了滿足特定功能要求外,還必須考慮產(chǎn)品的電磁兼容性,這對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能技術(shù)指標(biāo)起著非常關(guān)鍵的作用。電磁兼容性是電子設(shè)備或系統(tǒng)的主要性能之一,電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定的功能、使系統(tǒng)效能得以充分發(fā)揮的重要保證。因此,在印制電路板的電路設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)是非常重要的。

        1 方案論證

        研究PCB電路板的電磁場分布情況,對改進(jìn)產(chǎn)品的EMC性能具有十分重要的意義。在算法分析,方案論證階段,經(jīng)過多方調(diào)研,發(fā)現(xiàn)對于PCB板級的電磁場仿真的方法有多種,例如:矩量法,有限時(shí)域差分算法等。還搜集了一系列相關(guān)軟件如:Zeland ie3d、Microwave office、Ansoft designer等,下面詳細(xì)對各個(gè)軟件的方法、原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹:(1)Zeland ie3d:Zeland軟件公司開發(fā)的軟件中,IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場仿真工具,其仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù),電流分布,近場分布和輻射方向圖,遠(yuǎn)場分布等,應(yīng)用范圍主要是在微波射頻電路、多層印刷電路板、平面微帶天線設(shè)計(jì)的分析與設(shè)計(jì)。

        (2)Apsim FDTD:Apsim FDTD 是一個(gè)采用"有限時(shí)域差分"算法的三維全波電磁場仿真器。它將二次、三次場等都準(zhǔn)確仿真出來,比靜態(tài)的二維、三維TEM方法大大地提高了精度。

        (3)Microwave Office:Microwave Office 是一針對微波混合、模塊以及MMIC(單片式微波/毫米波集成電路)設(shè)計(jì)的線性與非線性之完整解決方案,注重于參數(shù)的仿真。

        (4)Ansoft designer:Ansoft公司的仿真工具能夠從三維場求解的角度出發(fā),對PCB設(shè)計(jì)的信號完整性問題進(jìn)行動態(tài)仿真,但其遠(yuǎn)場的分布效果不是很理想,沒有具體的仿真分貝標(biāo)志。

        通過具體使用和詳細(xì)分析后,IE3D可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組,從而解決電磁波的效應(yīng)、不連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)和輻射效應(yīng)問題。IE3D電磁仿真的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用戶可獲得被仿真結(jié)構(gòu)的場和電流分布,對電路和天線設(shè)計(jì)者來說,結(jié)構(gòu)的電流和場分布很有價(jià)值,可選擇為電流分布建立數(shù)據(jù)文件。仿真結(jié)果還包括s-、y-、z-參數(shù)和輻射方向圖,仿真分貝標(biāo)志等。所以仿真后的結(jié)果更加直觀,并且易于理解。

        因此,本論文采用"平面和三維電磁場仿真與優(yōu)化軟件包——IE3D"來對EMC規(guī)則進(jìn)行分析、驗(yàn)證。

        2 PCB的EMC規(guī)則分析

        本文就針對雙面印制板面上信號線的走線布局、長度、電源線的布置等與電磁兼容性相關(guān)問題進(jìn)行具體地仿真分析,并相應(yīng)地給出具體措施。

        2.1 控制EMC應(yīng)采用的具體方法

        (1)防止信號線在不同層間形成自環(huán)。在多層板設(shè)計(jì)中容易發(fā)生此類問題,自環(huán)將引起輻射干擾。對其進(jìn)行電磁場仿真,結(jié)果如下:

        圖1 信號線形成自環(huán)和不形成自環(huán)的電磁場仿真圖

        結(jié)論:圖1(b)的布線方式是符合EMC問題的,信號線不可形成自環(huán)。

        (2)走線長度控制規(guī)則即短線規(guī)則,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量讓布線長度盡量短,以減少走線長度帶來的干擾問題,特別是一些重要信號線,如時(shí)鐘線,務(wù)必將其振蕩器放在離器件很近的地方。

        對其進(jìn)行電磁場仿真,結(jié)果如下:

        圖2 短線原則的電磁場分布圖

        結(jié)論:設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量讓布線長度盡量短。

        2.2 電源線設(shè)計(jì)

        要注意以下幾點(diǎn):

        (1)根據(jù)印制線路板電流的大小,盡量加粗電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力,如圖3(a)所示。

        (2)值得一提的是,盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的集成塊,如圖3(b)、(c)。盡量不使用芯片座,選用貼片集成塊,可以進(jìn)一步減小去耦電容的供電回路面積,有利于實(shí)現(xiàn)電磁兼容。

        結(jié)語

        在此,希望本設(shè)計(jì)能給予正在從事產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)可靠性的工程師、對EMC問題感興趣的朋友們提供解決此類問題的新思路與新方法。

        [1]錢振宇.電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)體系.電子產(chǎn)品世界,1999,02.

        [2]Zeland Software,Inc.IE3D用戶手冊.發(fā)布號 9.2,2002.

        [3]TDA8902J數(shù)字功放電路及抗干擾設(shè)計(jì).自動化在線,2011,12.

        [4]蘇州矽科電子信息科技有限公司.印制板設(shè)計(jì)規(guī)范(第一版).2005,1.

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