PCB电磁辐射的仿真分析与优化

苏　桃,田梦倩,王庆祥

(东南大学机械电子工程系,南京 211189)



PCB电磁辐射的仿真分析与优化

苏桃,田梦倩*,王庆祥

(东南大学机械电子工程系,南京 211189)

摘要:产品的电磁兼容性是工程设计人员在产品设计阶段必须考虑的问题,它不仅影响产品的性能,同时影响产品的稳定性。分析了PCB产生电磁干扰的原因,以及抑制电磁干扰的措施,并采用ANSYS公司的SIwave软件对某控制器PCB板上进行近场仿真分析,并通过阻抗匹配、添加去耦电容的方式对PCB进行优化,通过优化降低了PCB的电磁辐射,提高了PCB的电磁兼容性能。

关键词:PCB电磁兼容;SI wave;近场辐射

科技的快速发展使得电子设备广泛的运用于人们的生产生活之中。例如手机、电脑、医疗设备、自动化生产设备、测试仪器等。一方面,对于设备快速响应的要求使得电子设备的系统工作频率越来越快。另一方面,出于对设备小型化、便携化的要求,使得控制器的体积越来越小,更多的电路板被放置于狭小的空间之内。这将极容易导致电子设备的电磁兼容问题。

电磁兼容(EMC)是指电气和电子系统、设备和装置,在设定的电磁环境中,在规定的安全界限内以设计的等级或性能运行,而不会由于电磁干扰引起损坏的能力。解决设备的电磁干扰问题主要从干扰源、干扰途径和敏感设备3个方面入手。其中,控制干扰源是最主要的手段。一般情况下,找出PCB板上的电磁干扰源是一件困难的事。一般在暗室的远场试验只能指出被测设备是否超标及超标的频段,并不能准确定位PCB上的电磁干扰源。

而传统的近场测试主要利用近场探头来探测PCB表面的磁场变化,通过对接收机数据变化的分析可以大致判断出干扰源的位置。但由于电磁场的方向性和不可见性,使得工程师很难实现精确定位。而采用软件仿真的方法可以有效的弥补实际测试中的不足之处。

电磁兼容仿真是指在产品设计初期阶段,借助于电磁仿真软件对电子元件、线缆、电子设备乃至整个系统进行电磁兼容的建模与分析。电磁兼容仿真能够帮助设计人员在产品设计初期发现产品的电磁兼容问题并大致“定位”出现问题的位置和频段,并将仿真结果可视化。因此,电磁兼容仿真越来越受到了工程技术人员的重视。

1　仿真对象

本文仿真对象是一个十层板的信号调理板,其系统构成与部分信号流向如图1所示。该PCB主要由模拟电路和数字电路两部分组成,其主要的功能是完成数据的采集与处理。

其大致的流程为:FPGA完成板上的逻辑开关控制,并通过驱动器与其他处理单元进行数据交换,DSP主要对采集的信号进行相关处理。

在实际的工作中DSP和SDRAM之间的时钟频率为100 MHz,FPGA和DSP都采用外部晶振,其中FPGA的外部晶振频率为16 MHz,DSP的外部晶振频率为30 MHz。

图1　PCB系统结构图

2　PCB产生电磁干扰的原因及抑制措施

2.1电磁干扰产生原因分析

电磁干扰涉及能量的产生、传输和接收。其本质是:电磁干扰源产生电磁干扰能量,通过传输或耦合路径将发射的能量传递到接收机(敏感设备),发射的能量在接收器被处理,产生意外动作。在实际的电路中,电磁干扰主要由数字电路部分产生:

(1)在PCB上通常存在一些高速数字信号处理的芯片,其工作主频一般超过100 MHz。由于分布参数的影响,信号在传输的过程中容易出现传输线阻抗不匹配的现象,造成信号在传输线阻抗不匹配的地方出现来回反射的现象,从而引起EMI噪声。

(2)电源噪声:当多个高速逻辑状态同时切换时,产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流路径上存在的电感时,电流发生突变,从而引起噪声。电源噪声通过电源平面传向其他器件,从而造成更宽频谱范围内的电磁干扰问题。

(3)PCB板的谐振:PCB电路中电源/地平面以及夹在其间的绝缘材料构成了一个谐振腔体。根据波动理论,当电源/地之间的电磁波的频率与PCB的谐振频率相一致时,谐振将增强辐射强度。

(4)布局布线:PCB板上任意一走线在EMI关心的频率范围内都有可能成为一个有效的发送/接收天线。因此,不恰当的布局布线有可能显著的增加PCB板的电磁辐射。

2.2电磁干扰产抑制措施

针对于多层板EMC优化设计,一般应遵循以下设计原则:

(1)信号阻抗匹配:对于一些频繁使用的数据线、地址线应该尽量保证阻抗匹配,减少信号线的过冲振铃现象。

(2)电源去耦:合理放置高速芯片的去耦电容,以此减少电源噪声,控制EMI干扰源头。为是电容引线电感最小,去耦电容的位置要尽量靠近芯片的电源引脚。其次,可以2个数量级不同的电容并联,以实现更宽频率范围内的去耦。

(3)布线布局:对于关键信号应该采用手工布线的方式,如时钟信号。且它们必须靠近它们相应的地回流线布放。同时,PCB走线应该尽量远离与走线信号的频率接近的谐振区域。

3　CPU板的电磁兼容仿真分析

3.1建立仿真模型

首先在Cadence CIS中绘制PCB板的原理图,并在cadence中的PCB Editor绘制相关相应的PCB板图,如图2所示。

图2　PCB版图结构

图3　仿真实体模型

在生成PCB版图后,将PCB导入SIwave中,并对生成的SIwave模型进行有效性检查,并根据错误提示进行修改。最后,在SIwave中导入无源器件的S参数模型(主要是电容和电阻的相关寄生参数)。至此,已经建立好PCB的仿真模型,如图3所示。

在建立好仿真的模型后,就需要选择需要仿真的关键走线,并计算S参数。本次仿真中主要选择了PCB上的时钟信号、部分数据线和地址线作为仿真的关键网络,共计213个端口,计算其S参数。在Designer中调入S参数的端口模型,并导入相关器件的IBIS模型,搭建好仿真原理图,并仿真各端口在实际工作状态下的电压和电流波形。最后,Designer中各端口的电流信号推送回SIwave中对应的端口作为激励源,仿真在正常工作情况下,信号传输时PCB板的电磁辐射情况。

3.2仿真结果分析

建模后,将重点关注近场和远场的辐射情况。

为了便于观测将重点观测50 MHz、150 MHz和300 MHz等3个频点的近场辐射情况,图4(a)、图5(a)、6(a)为优化前的仿真结果。

图4　50 MHz电场分布图(V/m)

图5　150 MHz电场分布图(V/m)

图6　300 MHz电场分布图(V/m)

3.3优化改进后的结果与分析

根据仿真的结果对PCB进行了优化,重点是对一些信号线添加33 Ω/75 Ω电阻,实现信号线的阻抗匹配。同时,在一些IC芯片的电源引脚旁边增加了去耦电容(主要是104,106电容)。对改进后的模型,重新进行仿真,得到改进后近场仿真结果如图4(b)、图5(b)、6(b)。

通过优化前后近场分布图的比较可以看出,优化后PCB近场幅值在大部分频点都在减小,虽然在某些频点有所增加,但其辐射面积有了明显减小。这表明了PCB对外的电磁干扰有了明显的降低,PCB的电磁兼容性得到了提高。具体的仿真比较如表1所示。

表1　改进前后的仿真结果比较

4　结论

本文主要以某控制器的多层PCB板为对象,采用了“场路”结合的方法对PCB在工作时的电磁辐射进行仿真和分析。分别对优化前和优化后的PCB进行仿真,优化的主要手段是对信号质量差的信号线添加匹配电阻,以改善信号质量以及在必要的区域放置去耦电容。通过以上措施可以有效地抑制辐射,从而改善PCB的电磁兼容性。

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苏桃(1988-),男,汉族,四川眉山人,东南大学硕士研究生,研究方向为PCB电磁兼容,nbsutao@163.com;

田梦倩(1972-),女,汉族,陕西渭南,博士,副教授,主要研究方向为机电控制及自动化,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

中图分类号:TM153.5

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0605-04

收稿日期:2013-08-26修改日期:2013-10-09