陳 放 田建宇 孫兆牛 王雨萌

北京航天自動控制研究所，北京 100854

基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法研究

陳 放 田建宇 孫兆牛 王雨萌

北京航天自動控制研究所，北京 100854

針對日益復雜的電子設備電磁兼容設計，提出基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法。在實際仿真應用中，使用PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法從降低電源平面阻抗、優(yōu)化信號質量及降低整板輻射等方面對某運載火箭綜合控制器主機板PCB進行仿真優(yōu)化，有效減少潛在的電磁兼容性問題，提高可靠性。

PCB；信號完整性；電源完整性；電磁兼容性；協(xié)同仿真

隨著電子設備高速化、低功耗、小型化的飛速發(fā)展，PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)設計人員面臨的信號完整性、電源完整性與電磁兼容性問題日益突出，已成為高可靠性PCB設計的瓶頸之一。信號完整性、電源完整性與電磁兼容性問題不是獨立的現(xiàn)象，核心都是電磁場問題，它們之間相互影響，1個方面的改善可促進另2個方面的改善，割裂、單一地進行分析不能全面解決問題，只有對三者進行整體的分析研究才能解決高性能、高可靠PCB設計所面臨的難題，從根本上提高PCB的電磁兼容性能。本文在研究多種PCB電磁兼容仿真方法的基礎上提出基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法。

1 信號完整性、電源完整性和電磁兼容性定義

信號完整性(Signal Integrity，簡稱SI)指信號在電路中能夠以正確的時序和電壓做出響應的能力，當信號能夠以要求的時序、持續(xù)的時間和電壓到達接收端時，就可以說該電路具有良好的信號完整性。反之，當?shù)竭_接收端的信號質量無法滿足時序和電壓的要求時，就會出現(xiàn)信號完整性問題[1]。SI問題可能會帶來門限誤判、邏輯錯誤、數(shù)據(jù)丟失或者輻射干擾等問題，嚴重時芯片無法正常工作。在高速PCB設計中，設計人員可借助仿真工具輔助完成SI設計[2-3]。

電源完整性(Power Integrity，簡稱PI)指電路系統(tǒng)的供電電源在經過一定的傳輸網(wǎng)絡后在指定器件端口相對該器件對工作電源要求的符合程度[4]。降低電源和地平面的阻抗是PI設計的主要方面，一般可通過仿真工具計算電源/地平面的阻抗進行優(yōu)化設計，確保其在一定頻率范圍內保持合理值，從而使電源供電滿足芯片工作要求[5]。

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC)是指電子設備在各種電磁環(huán)境中能夠協(xié)調、有效地進行工作的能力。EMC設計的目的是使電子設備能抑制各種外來干擾，在特定的電磁環(huán)境中正常工作，減少對其它電子設備的干擾[6]。隨著計算機技術和電磁場數(shù)值算法的發(fā)展，可使用電磁場仿真軟件進行電磁兼容的仿真和優(yōu)化[7]。

2 基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法

針對目前日益突出的SI，PI和EMC問題及它們之間緊密的聯(lián)系，本文提出基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法，其核心是基于電磁場和電路仿真結合的方法從SI，PI和EMC這3個方面對PCB進行整體的、全流程的仿真，從3個方面來提高PCB設計的電磁兼容性，仿真方法與流程如圖1所示。

圖1 PCB電磁兼容的協(xié)同仿真方法與流程

PCB的電源平面與地平面相當于一個諧振腔，具有諧振特性，利用電磁場仿真分析方法分析PCB電源平面與地平面諧振，查看諧振頻率點及諧振電壓分布，避免PCB的工作頻率落到諧振頻率附近，避免關鍵芯片的布局位置位于諧振電壓峰值處，從而減少噪聲的耦合和輻射發(fā)射。

穩(wěn)定干凈的電源是PCB正常工作的基本保證，進行電源平面阻抗仿真分析，查看所關注電源平面的阻抗是否低于目標阻抗值，若平面阻抗高于目標阻抗，添加去耦電容或優(yōu)化PCB疊層設計降低電源與地平面之間的阻抗，以減少電壓波動對芯片工作的影響。過大的直流電壓壓降會引起芯片工作異常，通過分析電源平面電流及電壓分布，減少不合理的電源平面分割所造成電流分布密度過大和電壓壓降過大的問題。

信號完整性分析主要從信號的時序、電壓等方面考察信號質量，確保信號能正常到達接收端，同時減少噪聲的產生和傳播，利用電磁場仿真方法提取PCB上關鍵信號網(wǎng)絡的參數(shù)模型，結合芯片模型搭建仿真電路進行電路仿真，查看關鍵信號網(wǎng)絡的信號質量，通過調整布線等手段優(yōu)化信號質量較差的電路網(wǎng)絡。

PCB輻射仿真分析有助于掌握單板各部分的輻射情況，將關鍵芯片驅動端輸出作為輻射源放置到PCB上芯片實際管腳位置，進行輻射仿真，查看PCB單板輻射，對于輻射較大處可以通過抑制手段來降低單板輻射。

基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法通過電磁場仿真與電路仿真相結合從SI，PI和EMC這3個方面進行全流程的協(xié)同仿真，全面解決PCB設計中潛在的電磁兼容問題。PCB電磁兼容協(xié)同仿真同時提出一種新的設計理念和解決問題的方法，即設計人員在進行PCB設計時要從SI，PI和EMC這3個方面進行統(tǒng)籌兼顧，當遇到其中任何一方問題時，除關注本方面問題外，還需從另外2個方面加以考慮，以便更快速有效地解決問題。

本文使用商用EDA軟件搭建PCB電磁兼容協(xié)同仿真平臺，如圖2所示。圖中，Dxdesigner和Expedition PCB是PCB設計工具，用來完成原理圖和PCB設計，輸出仿真用的PCB布局布線數(shù)據(jù)。SIwave為精確的整板級有限元法全波電磁場仿真工具，能分析任意復雜PCB結構的電磁特性；Designer為電路仿真工具，提供了多種仿真技術，可進行時域和頻域的仿真分析。利用電磁場仿真工具SIwave進行PCB的諧振分析、PI分析并提取關鍵信號線的參數(shù)；利用電路仿真工具Designer結合電磁場仿真工具提取的關鍵信號線參數(shù)模型以及芯片模型進行電路分析，輸出關鍵芯片驅動端輻射源作為干擾源返回到SIwave中進行PCB板輻射分析。PCB單板輻射分析結果可以作為輻射源結合單機機箱結構進行單機結構輻射仿真分析。

圖2 PCB電磁兼容協(xié)同仿真平臺

3 仿真實例

在某運載火箭綜合控制器主機板PCB設計中，使用PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法從信號完整性、電源完整性及電磁兼容性3個方面進行了全流程的協(xié)同仿真，本文只選取其中較為典型的仿真工作進行介紹。

3.1 電源平面阻抗分析

1.8V電源平面為核心DSP芯片的內核供電，噪聲容限低，在可容忍5%的電壓波動的條件下1.8V電源平面的目標阻抗值為0.703Ω，仿真的頻率范圍0～250MHz，即在0～250MHz 的頻率范圍內1.8V電源平面阻抗應低于0.703Ω，初步仿真分析結果如圖3中實線所示。從圖中可知，在139.3 M～235.8 MHz頻率范圍內1.8V電源平面阻抗高于目標阻抗。為了降低平面阻抗，在1.8V電源平面與地平面之間增加去耦電容，添加電容優(yōu)化后的平面阻抗仿真結果如圖3所示，從圖中可知在0～287.6MHz頻率范圍內，1.8V電源平面的阻抗低于目標阻抗，滿足DSP內核工作電壓的要求。使用同樣的仿真分析方法將主機板PCB上3.3V和5V電源平面的阻抗值均控制在目標阻抗值范圍內。

圖3 仿真優(yōu)化前后1.8電源平面阻抗曲線

3.2 信號完整性分析

選取PCB上關鍵信號網(wǎng)絡DSP的數(shù)據(jù)總線(D0～D31)進行仿真分析，DSP數(shù)據(jù)總線分別與FPGA、總線驅動器245和鎖存器373相連，PCB上布線的拓撲如圖4左側所示(圖中虛線表示PCB上數(shù)據(jù)總線的實際走向拓撲)。選取信號走線最長與最短的數(shù)據(jù)總線D0與D31進行仿真分析，搭建如圖5所示的仿真電路，芯片模型采用廠商網(wǎng)站提供的IBIS模型，PCB信號線的模型為電磁場仿真提取的SPICE模型。

圖4 修改前、后數(shù)據(jù)總線的走線拓撲圖

數(shù)據(jù)線D0接收端的信號仿真結果如圖6左側所示，從圖中可知接收端(3.3V芯片)的信號存在較明顯振蕩及較大的上沖(低于5V)。為了提高信號質量，修改數(shù)據(jù)總線的走線拓撲，如圖4右側所示。修改后的仿真結果如圖6右側所示，從圖中可知信號振蕩及上沖(低于4V)均有所改善，優(yōu)化了信號傳輸質量。

圖5 信號完整性仿真電路

圖6 修改數(shù)據(jù)總線走線前、后的各芯片接收端波形

3.3 PCB輻射分析

可以將關鍵信號線的信號完整性仿真輸出(如圖5中A位置的數(shù)據(jù)總線D0的輸出)作為輻射源添加到PCB上芯片的實際管腳位置，進行單板輻射仿真，查看整板的輻射分布。主機板PCB的單板輻射仿真分析結果如圖7所示。圖中實線為原設計的輻射強度，虛線為仿真優(yōu)化后的輻射強度，可以看到優(yōu)化后輻射強度在0～300MHz頻率范圍內均有所降低，提高了電磁兼容性能。

從仿真可知，通過對主機板PCB進行電磁兼容協(xié)同仿真分析解決了一些潛在的信號完整性和電源完整性問題，降低了PCB整板的電磁輻射。在實際投產后，綜合控制器主機板工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)電磁兼容性問題。

圖7 優(yōu)化前后遠場輻射比較

4 結論

提出基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法，搭建協(xié)同仿真平臺。在實際工程應用中，將該方法應用于某運載火箭綜合控制器主機板PCB的仿真設計中，從信號完整性、電源完整性及電磁兼容性3個方面對主機板PCB進行了全面仿真優(yōu)化，有效解決了PCB設計中一些潛在的電磁兼容性問題，提高了主機板PCB的可靠性。

[1] 龔海峰.基于信號完整性分析的高速數(shù)字PCB設計方法[D].上海交通大學，2002.

[2] 歷科立，景占榮，嚴會會.基于HyperLynx的FPGA系統(tǒng)信號完整性仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34(8)：144-150.(Li Keli, Jiang Zhanrong,Yan Huihui.Signal Integrity Simulation Analysis of FPGA System Based on HyperLynx[J].Modern Electronics Technique，2011，34(8)：144-150.)

[3] 李成，程曉宇，畢篤彥，等.基于HyperLynx的高速DSP系統(tǒng)信號完整性仿真研究[J].電子器件，2009，32(2)：445-451. (Li Cheng,Chen Xiaoyu, Bi Duyan, et al.Signal Integrity Research of High-Speed DSP System Design Based on HyperLynx Simulations[J].Chinese Journal of Electron Devices，2009，32(2)：445-451.)

[4] 李荔. 信號完整性與電源完整性的仿真分析與設計[J].電子質量，2006，6：79-88.(Li Li.The Emulation Analysis and Design of Signal Integrity and Power Supply Integrity[J]. Electronics Quality，2006，6：79-88.)

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[6] 張燕燕.PCB級的電磁兼容性設計研究[J].西安郵電學院學報，2007，12(3)：86-90.(Zhang Yanyan. Research on PCB Level Electromagnetic Compatibility Design[J]. Journal of Xi’an University of Post and Telecommunications，2007，12(3)：86-90.)

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《航天控制》雜志

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《航天控制》選題大綱

1總體與系統(tǒng)技術

1.1 航天器動力學模型技術

1.2 航天器控制系統(tǒng)方案設計

1.3 系統(tǒng)集成與一體化設計技術

2制導、導航和控制技術

2.1 先進的信息與控制理論及應用

2.2 全程復合制導技術(星光、衛(wèi)星導航系統(tǒng))

2.3 精確末制導技術

2.4 航天器自主導航和組合導航技術

2.5 新型運載火箭控制系統(tǒng)研究

2.6 系統(tǒng)精度與毀傷效果的評估和分析

2.7 衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制技術研究

2.8 航天器交會對接、返回與救生技術

2.9 深空探測與著陸技術

2.10衛(wèi)星編隊飛行與星座控制技術

2.11攔截器制導與控制技術

2.12機器人動力學與控制

2.13控制系統(tǒng)“標準化、通用化、組合化”技術

2.14航天器測控通信技術

2.15伺服控制設計

3計算機技術與仿真技術

3.1 嵌入式計算機系統(tǒng)設計技術

3.2 軟件工程與評測技術

3.3 CAX設計

3.4 人工智能與專家系統(tǒng)技術

3.5 系統(tǒng)仿真技術

3.6 半實物仿真與設計、試驗技術

4測試、發(fā)射和控制技術

4.1 測試發(fā)射控制一體化技術

4.2 快速機動測控技術

4.3 航天器地面測試自動化

4.4 C4ISR技術

4.5 水平瞄準、快速定位定向技術

4.6 系統(tǒng)信息流控制技術

5可靠性、安全性和維修性

5.1 可靠性、安全性、維修性和保障性設計、分析和試驗技術

5.2 軟件可靠性及優(yōu)化技術

5.3 冗余設計技術

5.4 故障診斷技術

6光機電一體化技術

6.1 片上系統(tǒng)(SOC)技術

6.2 航天器姿態(tài)敏感器

6.3 目標探測器

6.4 慣性測量裝置

6.5 光學陀螺

6.6 推進器技術

6.7 飛行控制執(zhí)行機構

6.8 電磁兼容設計與試驗技術

6.9 表面裝貼技術

6.10減振技術研究

6.11多功能結構設計與標準化技術

征稿簡則

1.文稿應具備創(chuàng)新性和科學性，務求主題突出、論據(jù)充分、文字精練、數(shù)據(jù)可靠，有較高的理論水平和實用價值。

2.稿件的篇幅(含摘要、圖、表、參考文獻等)6000字以內，撰寫論文所涉及的基金資助項目、獲獎課題內容請予注明。

3.文章中必須有中英文的題名、作者姓名、單位(對外名稱)、郵編、摘要、主題詞，還應有中圖分類號和參考文獻。其中中文題名不超過20個字，英文題名不超過12個實詞。主題詞3條～8條，注意使用規(guī)范詞。

4.摘要采用報道性文摘，應擁有與論文同等量的主要信息，著重反映新內容。中英文摘要均須包括目的、方法、結果、結論等四要素，中文摘要以300字左右為宜。英文摘要應按照英文文法書寫，在確保內容完整性的前提下不必采用句子到句子的翻譯模式。

5.計量單位應使用國家最新頒布的國家標準和規(guī)定，并且一律用符號表示。

6.稿件中的插圖、表格要少而精。構圖要合理，應附有圖表序號及中文的圖題、表題及圖表注釋。

7.參考文獻采用中英雙語著錄，應著錄最必要、最新的文獻，且應是國內外公開發(fā)表的書刊文章，編號以出現(xiàn)的先后為序，各類文獻的著錄格式為：

(1)專著：著者.書名[M].版本(第1版不用著錄).出版地：出版者，出版年.

(2)期刊：作者．題名[J]．刊名，年，卷(期)：起止頁碼.

(3)論文集：作者.題名[C]//編者.文集名.出版地：出版者，出版年：起止頁碼.

(4)學位論文：作者.題名[D].保存者，年份.

(5)會議論文：作者.題名[C].會議名稱，會址，會議年份.

(6)技術標準：責任者.標準代號 標準名稱[S].出版地：出版者，出版年：引文頁碼.

(7)專利文獻：專利申請者.專利題名：專利國別，專利號[P].公開日期.

(8)報紙：作者.題名[N].報紙名，年-月-日(版次).

(9)外文文獻請注意作者的名字均為姓在前名在后，名要縮寫。

例：Zhou K M, Doyle J C, Glover K. Robust and Optimal Control[M]. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall, 1996.

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TheResearchofEMCCo-simulationMethodforPCBBasedonSIandPI

Chen Fang, Tian Jianyu, Sun Zhaoniu, Wang Yumeng

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

AnewsimulationmethodforPCB EMCdesignbasedonSIandPIispresented.InthedesignofthePCBmainboardfortheintegrativecontrollerinthelaunchvehicle,themethodisusedtolowertheimpedanceofthepowerplane,optimizethesignalqualityandreducetheradiationofthewholePCB.ItisproventhatthepotentialEMCproblemsinPCBscanbesolvedandthereliabilityisimproved.

PCB；Electromagneticcompatibility；Powerintegrity；Signalintegrity；Co-simulation

TN41

A

1006-3242(2017)04-0090-05

2015-04-13

陳放(1982-)，男，武漢人，工程師，主要研究方向為測發(fā)控系統(tǒng)綜合設計；田建宇(1977-)，男，北京人，高級工程師，主要研究方向為測發(fā)控系統(tǒng)綜合設計；孫兆牛(1978-)，男，安徽安慶人，高級工程師，主要研究方向為控制系統(tǒng)可靠性設計；王雨萌(1985-)，女，陜西寶雞人，工程師，主要研究方向為測發(fā)控系統(tǒng)綜合設計。