陳 放 田建宇 孫兆牛 王雨萌

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

基于信號(hào)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(dòng)控制研究所，北京 100854

針對(duì)日益復(fù)雜的電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)，提出基于信號(hào)完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法。在實(shí)際仿真應(yīng)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(hào)質(zhì)量及降低整板輻射等方面對(duì)某運(yùn)載火箭綜合控制器主機(jī)板PCB進(jìn)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(hào)完整性；電源完整性；電磁兼容性；協(xié)同仿真

隨著電子設(shè)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(shè)計(jì)人員面臨的信號(hào)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(shè)計(jì)的瓶頸之一。信號(hào)完整性、電源完整性與電磁兼容性問題不是獨(dú)立的現(xiàn)象，核心都是電磁場(chǎng)問題，它們之間相互影響，1個(gè)方面的改善可促進(jìn)另2個(gè)方面的改善，割裂、單一地進(jìn)行分析不能全面解決問題，只有對(duì)三者進(jìn)行整體的分析研究才能解決高性能、高可靠PCB設(shè)計(jì)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(chǔ)上提出基于信號(hào)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(hào)完整性、電源完整性和電磁兼容性定義

信號(hào)完整性(Signal Integrity，簡(jiǎn)稱SI)指信號(hào)在電路中能夠以正確的時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力，當(dāng)信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)的時(shí)間和電壓到達(dá)接收端時(shí)，就可以說該電路具有良好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端的信號(hào)質(zhì)量無法滿足時(shí)序和電壓的要求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問題[1]。SI問題可能會(huì)帶來門限誤判、邏輯錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失或者輻射干擾等問題，嚴(yán)重時(shí)芯片無法正常工作。在高速PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可借助仿真工具輔助完成SI設(shè)計(jì)[2-3]。

電源完整性(Power Integrity，簡(jiǎn)稱PI)指電路系統(tǒng)的供電電源在經(jīng)過一定的傳輸網(wǎng)絡(luò)后在指定器件端口相對(duì)該器件對(duì)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(shè)計(jì)的主要方面，一般可通過仿真工具計(jì)算電源/地平面的阻抗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其在一定頻率范圍內(nèi)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(jiǎn)稱EMC)是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。EMC設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)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(duì)其它電子設(shè)備的干擾[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電磁場(chǎng)數(shù)值算法的發(fā)展，可使用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行電磁兼容的仿真和優(yōu)化[7]。

2 基于信號(hào)完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法

針對(duì)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(hào)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(chǎng)和電路仿真結(jié)合的方法從SI，PI和EMC這3個(gè)方面對(duì)PCB進(jìn)行整體的、全流程的仿真，從3個(gè)方面來提高PCB設(shè)計(jì)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(dāng)于一個(gè)諧振腔，具有諧振特性，利用電磁場(chǎng)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(diǎn)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(guān)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(jìn)行電源平面阻抗仿真分析，查看所關(guān)注電源平面的阻抗是否低于目標(biāo)阻抗值，若平面阻抗高于目標(biāo)阻抗，添加去耦電容或優(yōu)化PCB疊層設(shè)計(jì)降低電源與地平面之間的阻抗，以減少電壓波動(dòng)對(duì)芯片工作的影響。過大的直流電壓壓降會(huì)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(hào)完整性分析主要從信號(hào)的時(shí)序、電壓等方面考察信號(hào)質(zhì)量，確保信號(hào)能正常到達(dá)接收端，同時(shí)減少噪聲的產(chǎn)生和傳播，利用電磁場(chǎng)仿真方法提取PCB上關(guān)鍵信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)模型，結(jié)合芯片模型搭建仿真電路進(jìn)行電路仿真，查看關(guān)鍵信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量，通過調(diào)整布線等手段優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量較差的電路網(wǎng)絡(luò)。

PCB輻射仿真分析有助于掌握單板各部分的輻射情況，將關(guān)鍵芯片驅(qū)動(dòng)端輸出作為輻射源放置到PCB上芯片實(shí)際管腳位置，進(jìn)行輻射仿真，查看PCB單板輻射，對(duì)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(hào)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(chǎng)仿真與電路仿真相結(jié)合從SI，PI和EMC這3個(gè)方面進(jìn)行全流程的協(xié)同仿真，全面解決PCB設(shè)計(jì)中潛在的電磁兼容問題。PCB電磁兼容協(xié)同仿真同時(shí)提出一種新的設(shè)計(jì)理念和解決問題的方法，即設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)要從SI，PI和EMC這3個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧，當(dāng)遇到其中任何一方問題時(shí)，除關(guān)注本方面問題外，還需從另外2個(gè)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(tái)，如圖2所示。圖中，Dxdesigner和Expedition PCB是PCB設(shè)計(jì)工具，用來完成原理圖和PCB設(shè)計(jì)，輸出仿真用的PCB布局布線數(shù)據(jù)。SIwave為精確的整板級(jí)有限元法全波電磁場(chǎng)仿真工具，能分析任意復(fù)雜PCB結(jié)構(gòu)的電磁特性；Designer為電路仿真工具，提供了多種仿真技術(shù)，可進(jìn)行時(shí)域和頻域的仿真分析。利用電磁場(chǎng)仿真工具SIwave進(jìn)行PCB的諧振分析、PI分析并提取關(guān)鍵信號(hào)線的參數(shù)；利用電路仿真工具Designer結(jié)合電磁場(chǎng)仿真工具提取的關(guān)鍵信號(hào)線參數(shù)模型以及芯片模型進(jìn)行電路分析，輸出關(guān)鍵芯片驅(qū)動(dòng)端輻射源作為干擾源返回到SIwave中進(jìn)行PCB板輻射分析。PCB單板輻射分析結(jié)果可以作為輻射源結(jié)合單機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行單機(jī)結(jié)構(gòu)輻射仿真分析。

圖2 PCB電磁兼容協(xié)同仿真平臺(tái)

3 仿真實(shí)例

在某運(yùn)載火箭綜合控制器主機(jī)板PCB設(shè)計(jì)中，使用PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法從信號(hào)完整性、電源完整性及電磁兼容性3個(gè)方面進(jìn)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(jìn)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(nèi)核供電，噪聲容限低，在可容忍5%的電壓波動(dòng)的條件下1.8V電源平面的目標(biāo)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(nèi)1.8V電源平面阻抗應(yīng)低于0.703Ω，初步仿真分析結(jié)果如圖3中實(shí)線所示。從圖中可知，在139.3 M～235.8 MHz頻率范圍內(nèi)1.8V電源平面阻抗高于目標(biāo)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(jié)果如圖3所示，從圖中可知在0～287.6MHz頻率范圍內(nèi)，1.8V電源平面的阻抗低于目標(biāo)阻抗，滿足DSP內(nèi)核工作電壓的要求。使用同樣的仿真分析方法將主機(jī)板PCB上3.3V和5V電源平面的阻抗值均控制在目標(biāo)阻抗值范圍內(nèi)。

圖3 仿真優(yōu)化前后1.8電源平面阻抗曲線

3.2 信號(hào)完整性分析

選取PCB上關(guān)鍵信號(hào)網(wǎng)絡(luò)DSP的數(shù)據(jù)總線(D0～D31)進(jìn)行仿真分析，DSP數(shù)據(jù)總線分別與FPGA、總線驅(qū)動(dòng)器245和鎖存器373相連，PCB上布線的拓?fù)淙鐖D4左側(cè)所示(圖中虛線表示PCB上數(shù)據(jù)總線的實(shí)際走向拓?fù)?。選取信號(hào)走線最長(zhǎng)與最短的數(shù)據(jù)總線D0與D31進(jìn)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(hào)線的模型為電磁場(chǎng)仿真提取的SPICE模型。

圖4 修改前、后數(shù)據(jù)總線的走線拓?fù)鋱D

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

圖5 信號(hào)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(guān)鍵信號(hào)線的信號(hào)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(shí)際管腳位置，進(jìn)行單板輻射仿真，查看整板的輻射分布。主機(jī)板PCB的單板輻射仿真分析結(jié)果如圖7所示。圖中實(shí)線為原設(shè)計(jì)的輻射強(qiáng)度，虛線為仿真優(yōu)化后的輻射強(qiáng)度，可以看到優(yōu)化后輻射強(qiáng)度在0～300MHz頻率范圍內(nèi)均有所降低，提高了電磁兼容性能。

從仿真可知，通過對(duì)主機(jī)板PCB進(jìn)行電磁兼容協(xié)同仿真分析解決了一些潛在的信號(hào)完整性和電源完整性問題，降低了PCB整板的電磁輻射。在實(shí)際投產(chǎn)后，綜合控制器主機(jī)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(yuǎn)場(chǎng)輻射比較

4 結(jié)論

提出基于信號(hào)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(tái)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，將該方法應(yīng)用于某運(yùn)載火箭綜合控制器主機(jī)板PCB的仿真設(shè)計(jì)中，從信號(hào)完整性、電源完整性及電磁兼容性3個(gè)方面對(duì)主機(jī)板PCB進(jìn)行了全面仿真優(yōu)化，有效解決了PCB設(shè)計(jì)中一些潛在的電磁兼容性問題，提高了主機(jī)板PCB的可靠性。

[1] 龔海峰.基于信號(hào)完整性分析的高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)方法[D].上海交通大學(xué)，2002.

[2] 歷科立，景占榮，嚴(yán)會(huì)會(huì).基于HyperLynx的FPGA系統(tǒng)信號(hào)完整性仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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(hào)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(hào)完整性與電源完整性的仿真分析與設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)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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[7] 梁慧.計(jì)算電磁學(xué)在電磁兼容仿真中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(14)：99-102.(Liang Hui.Application of Computational Electromagnetic in EMC Simulation[J]. Modern Electronics Technique， 2011，34(14)：99-102.)

《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(shù)

1.1 航天器動(dòng)力學(xué)模型技術(shù)

1.2 航天器控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.3 系統(tǒng)集成與一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

2制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)

2.1 先進(jìn)的信息與控制理論及應(yīng)用

2.2 全程復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)(星光、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))

2.3 精確末制導(dǎo)技術(shù)

2.4 航天器自主導(dǎo)航和組合導(dǎo)航技術(shù)

2.5 新型運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)研究

2.6 系統(tǒng)精度與毀傷效果的評(píng)估和分析

2.7 衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制技術(shù)研究

2.8 航天器交會(huì)對(duì)接、返回與救生技術(shù)

2.9 深空探測(cè)與著陸技術(shù)

2.10衛(wèi)星編隊(duì)飛行與星座控制技術(shù)

2.11攔截器制導(dǎo)與控制技術(shù)

2.12機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制

2.13控制系統(tǒng)“標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、組合化”技術(shù)

2.14航天器測(cè)控通信技術(shù)

2.15伺服控制設(shè)計(jì)

3計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)

3.1 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

3.2 軟件工程與評(píng)測(cè)技術(shù)

3.3 CAX設(shè)計(jì)

3.4 人工智能與專家系統(tǒng)技術(shù)

3.5 系統(tǒng)仿真技術(shù)

3.6 半實(shí)物仿真與設(shè)計(jì)、試驗(yàn)技術(shù)

4測(cè)試、發(fā)射和控制技術(shù)

4.1 測(cè)試發(fā)射控制一體化技術(shù)

4.2 快速機(jī)動(dòng)測(cè)控技術(shù)

4.3 航天器地面測(cè)試自動(dòng)化

4.4 C4ISR技術(shù)

4.5 水平瞄準(zhǔn)、快速定位定向技術(shù)

4.6 系統(tǒng)信息流控制技術(shù)

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(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)技術(shù)

5.2 軟件可靠性及優(yōu)化技術(shù)

5.3 冗余設(shè)計(jì)技術(shù)

5.4 故障診斷技術(shù)

6光機(jī)電一體化技術(shù)

6.1 片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)

6.2 航天器姿態(tài)敏感器

6.3 目標(biāo)探測(cè)器

6.4 慣性測(cè)量裝置

6.5 光學(xué)陀螺

6.6 推進(jìn)器技術(shù)

6.7 飛行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

6.8 電磁兼容設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)

6.9 表面裝貼技術(shù)

6.10減振技術(shù)研究

6.11多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

征稿簡(jiǎn)則

1.文稿應(yīng)具備創(chuàng)新性和科學(xué)性，務(wù)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(shí)用價(jià)值。

2.稿件的篇幅(含摘要、圖、表、參考文獻(xiàn)等)6000字以內(nèi)，撰寫論文所涉及的基金資助項(xiàng)目、獲獎(jiǎng)?wù)n題內(nèi)容請(qǐng)予注明。

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

5.計(jì)量單位應(yīng)使用國(guó)家最新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，并且一律用符號(hào)表示。

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7.參考文獻(xiàn)采用中英雙語著錄，應(yīng)著錄最必要、最新的文獻(xiàn)，且應(yīng)是國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的書刊文章，編號(hào)以出現(xiàn)的先后為序，各類文獻(xiàn)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(yè)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(yè)碼.

(4)學(xué)位論文：作者.題名[D].保存者，年份.

(5)會(huì)議論文：作者.題名[C].會(huì)議名稱，會(huì)址，會(huì)議年份.

(6)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：責(zé)任者.標(biāo)準(zhǔn)代號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)名稱[S].出版地：出版者，出版年：引文頁(yè)碼.

(7)專利文獻(xiàn)：專利申請(qǐng)者.專利題名：專利國(guó)別，專利號(hào)[P].公開日期.

(8)報(bào)紙：作者.題名[N].報(bào)紙名，年-月-日(版次).

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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?yàn)闇y(cè)發(fā)控系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)；田建宇(1977-)，男，北京人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)發(fā)控系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)；孫兆牛(1978-)，男，安徽安慶人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)；王雨萌(1985-)，女，陜西寶雞人，工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)發(fā)控系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。