蘇　桃,田夢倩,王慶祥

(東南大學機械電子工程系,南京 211189)

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PCB電磁輻射的仿真分析與優(yōu)化

蘇桃,田夢倩*,王慶祥

(東南大學機械電子工程系,南京 211189)

摘要:產品的電磁兼容性是工程設計人員在產品設計階段必須考慮的問題,它不僅影響產品的性能,同時影響產品的穩(wěn)定性。分析了PCB產生電磁干擾的原因,以及抑制電磁干擾的措施,并采用ANSYS公司的SIwave軟件對某控制器PCB板上進行近場仿真分析,并通過阻抗匹配、添加去耦電容的方式對PCB進行優(yōu)化,通過優(yōu)化降低了PCB的電磁輻射,提高了PCB的電磁兼容性能。

關鍵詞:PCB電磁兼容;SI wave;近場輻射

科技的快速發(fā)展使得電子設備廣泛的運用于人們的生產生活之中。例如手機、電腦、醫(yī)療設備、自動化生產設備、測試儀器等。一方面,對于設備快速響應的要求使得電子設備的系統(tǒng)工作頻率越來越快。另一方面,出于對設備小型化、便攜化的要求,使得控制器的體積越來越小,更多的電路板被放置于狹小的空間之內。這將極容易導致電子設備的電磁兼容問題。

電磁兼容(EMC)是指電氣和電子系統(tǒng)、設備和裝置,在設定的電磁環(huán)境中,在規(guī)定的安全界限內以設計的等級或性能運行,而不會由于電磁干擾引起損壞的能力。解決設備的電磁干擾問題主要從干擾源、干擾途徑和敏感設備3個方面入手。其中,控制干擾源是最主要的手段。一般情況下,找出PCB板上的電磁干擾源是一件困難的事。一般在暗室的遠場試驗只能指出被測設備是否超標及超標的頻段,并不能準確定位PCB上的電磁干擾源。

而傳統(tǒng)的近場測試主要利用近場探頭來探測PCB表面的磁場變化,通過對接收機數據變化的分析可以大致判斷出干擾源的位置。但由于電磁場的方向性和不可見性,使得工程師很難實現精確定位。而采用軟件仿真的方法可以有效的彌補實際測試中的不足之處。

電磁兼容仿真是指在產品設計初期階段,借助于電磁仿真軟件對電子元件、線纜、電子設備乃至整個系統(tǒng)進行電磁兼容的建模與分析。電磁兼容仿真能夠幫助設計人員在產品設計初期發(fā)現產品的電磁兼容問題并大致“定位”出現問題的位置和頻段,并將仿真結果可視化。因此,電磁兼容仿真越來越受到了工程技術人員的重視。

1　仿真對象

本文仿真對象是一個十層板的信號調理板,其系統(tǒng)構成與部分信號流向如圖1所示。該PCB主要由模擬電路和數字電路兩部分組成,其主要的功能是完成數據的采集與處理。

其大致的流程為:FPGA完成板上的邏輯開關控制,并通過驅動器與其他處理單元進行數據交換,DSP主要對采集的信號進行相關處理。

在實際的工作中DSP和SDRAM之間的時鐘頻率為100 MHz,FPGA和DSP都采用外部晶振,其中FPGA的外部晶振頻率為16 MHz,DSP的外部晶振頻率為30 MHz。

圖1　PCB系統(tǒng)結構圖

2　PCB產生電磁干擾的原因及抑制措施

2.1電磁干擾產生原因分析

電磁干擾涉及能量的產生、傳輸和接收。其本質是:電磁干擾源產生電磁干擾能量,通過傳輸或耦合路徑將發(fā)射的能量傳遞到接收機(敏感設備),發(fā)射的能量在接收器被處理,產生意外動作。在實際的電路中,電磁干擾主要由數字電路部分產生:

(1)在PCB上通常存在一些高速數字信號處理的芯片,其工作主頻一般超過100 MHz。由于分布參數的影響,信號在傳輸的過程中容易出現傳輸線阻抗不匹配的現象,造成信號在傳輸線阻抗不匹配的地方出現來回反射的現象,從而引起EMI噪聲。

(2)電源噪聲:當多個高速邏輯狀態(tài)同時切換時,產生瞬間變化的電流(di/dt),在經過回流路徑上存在的電感時,電流發(fā)生突變,從而引起噪聲。電源噪聲通過電源平面?zhèn)飨蚱渌骷?從而造成更寬頻譜范圍內的電磁干擾問題。

(3)PCB板的諧振:PCB電路中電源/地平面以及夾在其間的絕緣材料構成了一個諧振腔體。根據波動理論,當電源/地之間的電磁波的頻率與PCB的諧振頻率相一致時,諧振將增強輻射強度。

(4)布局布線:PCB板上任意一走線在EMI關心的頻率范圍內都有可能成為一個有效的發(fā)送/接收天線。因此,不恰當的布局布線有可能顯著的增加PCB板的電磁輻射。

2.2電磁干擾產抑制措施

針對于多層板EMC優(yōu)化設計,一般應遵循以下設計原則:

(1)信號阻抗匹配:對于一些頻繁使用的數據線、地址線應該盡量保證阻抗匹配,減少信號線的過沖振鈴現象。

(2)電源去耦:合理放置高速芯片的去耦電容,以此減少電源噪聲,控制EMI干擾源頭。為是電容引線電感最小,去耦電容的位置要盡量靠近芯片的電源引腳。其次,可以2個數量級不同的電容并聯,以實現更寬頻率范圍內的去耦。

(3)布線布局:對于關鍵信號應該采用手工布線的方式,如時鐘信號。且它們必須靠近它們相應的地回流線布放。同時,PCB走線應該盡量遠離與走線信號的頻率接近的諧振區(qū)域。

3　CPU板的電磁兼容仿真分析

3.1建立仿真模型

首先在Cadence CIS中繪制PCB板的原理圖,并在cadence中的PCB Editor繪制相關相應的PCB板圖,如圖2所示。

圖2　PCB版圖結構

圖3　仿真實體模型

在生成PCB版圖后,將PCB導入SIwave中,并對生成的SIwave模型進行有效性檢查,并根據錯誤提示進行修改。最后,在SIwave中導入無源器件的S參數模型(主要是電容和電阻的相關寄生參數)。至此,已經建立好PCB的仿真模型,如圖3所示。

在建立好仿真的模型后,就需要選擇需要仿真的關鍵走線,并計算S參數。本次仿真中主要選擇了PCB上的時鐘信號、部分數據線和地址線作為仿真的關鍵網絡,共計213個端口,計算其S參數。在Designer中調入S參數的端口模型,并導入相關器件的IBIS模型,搭建好仿真原理圖,并仿真各端口在實際工作狀態(tài)下的電壓和電流波形。最后,Designer中各端口的電流信號推送回SIwave中對應的端口作為激勵源,仿真在正常工作情況下,信號傳輸時PCB板的電磁輻射情況。

3.2仿真結果分析

建模后,將重點關注近場和遠場的輻射情況。

為了便于觀測將重點觀測50 MHz、150 MHz和300 MHz等3個頻點的近場輻射情況,圖4(a)、圖5(a)、6(a)為優(yōu)化前的仿真結果。

圖4　50 MHz電場分布圖(V/m)

圖5　150 MHz電場分布圖(V/m)

圖6　300 MHz電場分布圖(V/m)

3.3優(yōu)化改進后的結果與分析

根據仿真的結果對PCB進行了優(yōu)化,重點是對一些信號線添加33 Ω/75 Ω電阻,實現信號線的阻抗匹配。同時,在一些IC芯片的電源引腳旁邊增加了去耦電容(主要是104,106電容)。對改進后的模型,重新進行仿真,得到改進后近場仿真結果如圖4(b)、圖5(b)、6(b)。

通過優(yōu)化前后近場分布圖的比較可以看出,優(yōu)化后PCB近場幅值在大部分頻點都在減小,雖然在某些頻點有所增加,但其輻射面積有了明顯減小。這表明了PCB對外的電磁干擾有了明顯的降低,PCB的電磁兼容性得到了提高。具體的仿真比較如表1所示。

表1　改進前后的仿真結果比較

4　結論

本文主要以某控制器的多層PCB板為對象,采用了“場路”結合的方法對PCB在工作時的電磁輻射進行仿真和分析。分別對優(yōu)化前和優(yōu)化后的PCB進行仿真,優(yōu)化的主要手段是對信號質量差的信號線添加匹配電阻,以改善信號質量以及在必要的區(qū)域放置去耦電容。通過以上措施可以有效地抑制輻射,從而改善PCB的電磁兼容性。

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蘇桃(1988-),男,漢族,四川眉山人,東南大學碩士研究生,研究方向為PCB電磁兼容,nbsutao@163.com;

田夢倩(1972-),女,漢族,陜西渭南,博士,副教授,主要研究方向為機電控制及自動化,tianmq@seu.edu.cn。

SimulationandOptimizationofElectromagneticRadiationforPCB

SUTao,TIANMengqian*,WANGQingxiang

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

Abstract:The electromagnetic compatibility of the products must be taken into account by product designer in the product design stage.It not only affects the performance of the product and also influences product’s stability.The cause of electromagnetic interference is analyzed theoretically,as well as the suppression measures are also discussed.Then,the PCB for digital controller is presented as the simulation object.The near field of the PCB is simulated by SIwave of ANSYS Corporation.According to the results of simulation,optimization and improvement on PCB can be made through impedance matching and adding a way of decoupling capacitors,in order to reduce the electromagnetic radiation of PCB and enhance PCB’s electromagnetic compatibility.

Key words:PCB EMC;SI wave;near field radiation

doi:EEACC:5140;523010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.005

中圖分類號:TM153.5

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0605-04

收稿日期:2013-08-26修改日期:2013-10-09