基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法研究

陈 放 田建宇 孙兆牛 王雨萌

北京航天自动控制研究所，北京 100854

基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法研究

陈 放 田建宇 孙兆牛 王雨萌

北京航天自动控制研究所，北京 100854

针对日益复杂的电子设备电磁兼容设计，提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法。在实际仿真应用中，使用PCB电磁兼容协同仿真方法从降低电源平面阻抗、优化信号质量及降低整板辐射等方面对某运载火箭综合控制器主机板PCB进行仿真优化，有效减少潜在的电磁兼容性问题，提高可靠性。

PCB；信号完整性；电源完整性；电磁兼容性；协同仿真

随着电子设备高速化、低功耗、小型化的飞速发展，PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)设计人员面临的信号完整性、电源完整性与电磁兼容性问题日益突出，已成为高可靠性PCB设计的瓶颈之一。信号完整性、电源完整性与电磁兼容性问题不是独立的现象，核心都是电磁场问题，它们之间相互影响，1个方面的改善可促进另2个方面的改善，割裂、单一地进行分析不能全面解决问题，只有对三者进行整体的分析研究才能解决高性能、高可靠PCB设计所面临的难题，从根本上提高PCB的电磁兼容性能。本文在研究多种PCB电磁兼容仿真方法的基础上提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法。

1 信号完整性、电源完整性和电磁兼容性定义

信号完整性(Signal Integrity，简称SI)指信号在电路中能够以正确的时序和电压做出响应的能力，当信号能够以要求的时序、持续的时间和电压到达接收端时，就可以说该电路具有良好的信号完整性。反之，当到达接收端的信号质量无法满足时序和电压的要求时，就会出现信号完整性问题[1]。SI问题可能会带来门限误判、逻辑错误、数据丢失或者辐射干扰等问题，严重时芯片无法正常工作。在高速PCB设计中，设计人员可借助仿真工具辅助完成SI设计[2-3]。

电源完整性(Power Integrity，简称PI)指电路系统的供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度[4]。降低电源和地平面的阻抗是PI设计的主要方面，一般可通过仿真工具计算电源/地平面的阻抗进行优化设计，确保其在一定频率范围内保持合理值，从而使电源供电满足芯片工作要求[5]。

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，简称EMC)是指电子设备在各种电磁环境中能够协调、有效地进行工作的能力。EMC设计的目的是使电子设备能抑制各种外来干扰，在特定的电磁环境中正常工作，减少对其它电子设备的干扰[6]。随着计算机技术和电磁场数值算法的发展，可使用电磁场仿真软件进行电磁兼容的仿真和优化[7]。

2 基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法

针对目前日益突出的SI，PI和EMC问题及它们之间紧密的联系，本文提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法，其核心是基于电磁场和电路仿真结合的方法从SI，PI和EMC这3个方面对PCB进行整体的、全流程的仿真，从3个方面来提高PCB设计的电磁兼容性，仿真方法与流程如图1所示。

图1 PCB电磁兼容的协同仿真方法与流程

PCB的电源平面与地平面相当于一个谐振腔，具有谐振特性，利用电磁场仿真分析方法分析PCB电源平面与地平面谐振，查看谐振频率点及谐振电压分布，避免PCB的工作频率落到谐振频率附近，避免关键芯片的布局位置位于谐振电压峰值处，从而减少噪声的耦合和辐射发射。

稳定干净的电源是PCB正常工作的基本保证，进行电源平面阻抗仿真分析，查看所关注电源平面的阻抗是否低于目标阻抗值，若平面阻抗高于目标阻抗，添加去耦电容或优化PCB叠层设计降低电源与地平面之间的阻抗，以减少电压波动对芯片工作的影响。过大的直流电压压降会引起芯片工作异常，通过分析电源平面电流及电压分布，减少不合理的电源平面分割所造成电流分布密度过大和电压压降过大的问题。

信号完整性分析主要从信号的时序、电压等方面考察信号质量，确保信号能正常到达接收端，同时减少噪声的产生和传播，利用电磁场仿真方法提取PCB上关键信号网络的参数模型，结合芯片模型搭建仿真电路进行电路仿真，查看关键信号网络的信号质量，通过调整布线等手段优化信号质量较差的电路网络。

PCB辐射仿真分析有助于掌握单板各部分的辐射情况，将关键芯片驱动端输出作为辐射源放置到PCB上芯片实际管脚位置，进行辐射仿真，查看PCB单板辐射，对于辐射较大处可以通过抑制手段来降低单板辐射。

基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法通过电磁场仿真与电路仿真相结合从SI，PI和EMC这3个方面进行全流程的协同仿真，全面解决PCB设计中潜在的电磁兼容问题。PCB电磁兼容协同仿真同时提出一种新的设计理念和解决问题的方法，即设计人员在进行PCB设计时要从SI，PI和EMC这3个方面进行统筹兼顾，当遇到其中任何一方问题时，除关注本方面问题外，还需从另外2个方面加以考虑，以便更快速有效地解决问题。

本文使用商用EDA软件搭建PCB电磁兼容协同仿真平台，如图2所示。图中，Dxdesigner和Expedition PCB是PCB设计工具，用来完成原理图和PCB设计，输出仿真用的PCB布局布线数据。SIwave为精确的整板级有限元法全波电磁场仿真工具，能分析任意复杂PCB结构的电磁特性；Designer为电路仿真工具，提供了多种仿真技术，可进行时域和频域的仿真分析。利用电磁场仿真工具SIwave进行PCB的谐振分析、PI分析并提取关键信号线的参数；利用电路仿真工具Designer结合电磁场仿真工具提取的关键信号线参数模型以及芯片模型进行电路分析，输出关键芯片驱动端辐射源作为干扰源返回到SIwave中进行PCB板辐射分析。PCB单板辐射分析结果可以作为辐射源结合单机机箱结构进行单机结构辐射仿真分析。

图2 PCB电磁兼容协同仿真平台

3 仿真实例

在某运载火箭综合控制器主机板PCB设计中，使用PCB电磁兼容协同仿真方法从信号完整性、电源完整性及电磁兼容性3个方面进行了全流程的协同仿真，本文只选取其中较为典型的仿真工作进行介绍。

3.1 电源平面阻抗分析

1.8V电源平面为核心DSP芯片的内核供电，噪声容限低，在可容忍5%的电压波动的条件下1.8V电源平面的目标阻抗值为0.703Ω，仿真的频率范围0～250MHz，即在0～250MHz 的频率范围内1.8V电源平面阻抗应低于0.703Ω，初步仿真分析结果如图3中实线所示。从图中可知，在139.3 M～235.8 MHz频率范围内1.8V电源平面阻抗高于目标阻抗。为了降低平面阻抗，在1.8V电源平面与地平面之间增加去耦电容，添加电容优化后的平面阻抗仿真结果如图3所示，从图中可知在0～287.6MHz频率范围内，1.8V电源平面的阻抗低于目标阻抗，满足DSP内核工作电压的要求。使用同样的仿真分析方法将主机板PCB上3.3V和5V电源平面的阻抗值均控制在目标阻抗值范围内。

图3 仿真优化前后1.8电源平面阻抗曲线

3.2 信号完整性分析

选取PCB上关键信号网络DSP的数据总线(D0～D31)进行仿真分析，DSP数据总线分别与FPGA、总线驱动器245和锁存器373相连，PCB上布线的拓扑如图4左侧所示(图中虚线表示PCB上数据总线的实际走向拓扑)。选取信号走线最长与最短的数据总线D0与D31进行仿真分析，搭建如图5所示的仿真电路，芯片模型采用厂商网站提供的IBIS模型，PCB信号线的模型为电磁场仿真提取的SPICE模型。

图4 修改前、后数据总线的走线拓扑图

数据线D0接收端的信号仿真结果如图6左侧所示，从图中可知接收端(3.3V芯片)的信号存在较明显振荡及较大的上冲(低于5V)。为了提高信号质量，修改数据总线的走线拓扑，如图4右侧所示。修改后的仿真结果如图6右侧所示，从图中可知信号振荡及上冲(低于4V)均有所改善，优化了信号传输质量。

图5 信号完整性仿真电路

图6 修改数据总线走线前、后的各芯片接收端波形

3.3 PCB辐射分析

可以将关键信号线的信号完整性仿真输出(如图5中A位置的数据总线D0的输出)作为辐射源添加到PCB上芯片的实际管脚位置，进行单板辐射仿真，查看整板的辐射分布。主机板PCB的单板辐射仿真分析结果如图7所示。图中实线为原设计的辐射强度，虚线为仿真优化后的辐射强度，可以看到优化后辐射强度在0～300MHz频率范围内均有所降低，提高了电磁兼容性能。

从仿真可知，通过对主机板PCB进行电磁兼容协同仿真分析解决了一些潜在的信号完整性和电源完整性问题，降低了PCB整板的电磁辐射。在实际投产后，综合控制器主机板工作稳定，未出现电磁兼容性问题。

图7 优化前后远场辐射比较

4 结论

提出基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法，搭建协同仿真平台。在实际工程应用中，将该方法应用于某运载火箭综合控制器主机板PCB的仿真设计中，从信号完整性、电源完整性及电磁兼容性3个方面对主机板PCB进行了全面仿真优化，有效解决了PCB设计中一些潜在的电磁兼容性问题，提高了主机板PCB的可靠性。

[1] 龚海峰.基于信号完整性分析的高速数字PCB设计方法[D].上海交通大学，2002.

[2] 历科立，景占荣，严会会.基于HyperLynx的FPGA系统信号完整性仿真分析[J].现代电子技术，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，程晓宇，毕笃彦，等.基于HyperLynx的高速DSP系统信号完整性仿真研究[J].电子器件，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. 信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计[J].电子质量，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.)

[5] 杜丽霞，曹岩.电源完整性仿真及其在DDR SDRAM电路中的应用研究[J].微计算机信息，2009，25(5-1)：247-248.(Du Lixia,Cao yan. Power Integrity Simulation and Its Application Research in DDR SDRAM Circuit[J].Microcomputer Information, 2009，25(5-1)：247-248.)

[6] 张燕燕.PCB级的电磁兼容性设计研究[J].西安邮电学院学报，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.)

[7] 梁慧.计算电磁学在电磁兼容仿真中的应用[J].现代电子技术，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》杂志

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《航天控制》选题大纲

1总体与系统技术

1.1 航天器动力学模型技术

1.2 航天器控制系统方案设计

1.3 系统集成与一体化设计技术

2制导、导航和控制技术

2.1 先进的信息与控制理论及应用

2.2 全程复合制导技术(星光、卫星导航系统)

2.3 精确末制导技术

2.4 航天器自主导航和组合导航技术

2.5 新型运载火箭控制系统研究

2.6 系统精度与毁伤效果的评估和分析

2.7 卫星姿态轨道控制技术研究

2.8 航天器交会对接、返回与救生技术

2.9 深空探测与着陆技术

2.10卫星编队飞行与星座控制技术

2.11拦截器制导与控制技术

2.12机器人动力学与控制

2.13控制系统“标准化、通用化、组合化”技术

2.14航天器测控通信技术

2.15伺服控制设计

3计算机技术与仿真技术

3.1 嵌入式计算机系统设计技术

3.2 软件工程与评测技术

3.3 CAX设计

3.4 人工智能与专家系统技术

3.5 系统仿真技术

3.6 半实物仿真与设计、试验技术

4测试、发射和控制技术

4.1 测试发射控制一体化技术

4.2 快速机动测控技术

4.3 航天器地面测试自动化

4.4 C4ISR技术

4.5 水平瞄准、快速定位定向技术

4.6 系统信息流控制技术

5可靠性、安全性和维修性

5.1 可靠性、安全性、维修性和保障性设计、分析和试验技术

5.2 软件可靠性及优化技术

5.3 冗余设计技术

5.4 故障诊断技术

6光机电一体化技术

6.1 片上系统(SOC)技术

6.2 航天器姿态敏感器

6.3 目标探测器

6.4 惯性测量装置

6.5 光学陀螺

6.6 推进器技术

6.7 飞行控制执行机构

6.8 电磁兼容设计与试验技术

6.9 表面装贴技术

6.10减振技术研究

6.11多功能结构设计与标准化技术

征稿简则

1.文稿应具备创新性和科学性，务求主题突出、论据充分、文字精练、数据可靠，有较高的理论水平和实用价值。

2.稿件的篇幅(含摘要、图、表、参考文献等)6000字以内，撰写论文所涉及的基金资助项目、获奖课题内容请予注明。

3.文章中必须有中英文的题名、作者姓名、单位(对外名称)、邮编、摘要、主题词，还应有中图分类号和参考文献。其中中文题名不超过20个字，英文题名不超过12个实词。主题词3条～8条，注意使用规范词。

4.摘要采用报道性文摘，应拥有与论文同等量的主要信息，着重反映新内容。中英文摘要均须包括目的、方法、结果、结论等四要素，中文摘要以300字左右为宜。英文摘要应按照英文文法书写，在确保内容完整性的前提下不必采用句子到句子的翻译模式。

5.计量单位应使用国家最新颁布的国家标准和规定，并且一律用符号表示。

6.稿件中的插图、表格要少而精。构图要合理，应附有图表序号及中文的图题、表题及图表注释。

7.参考文献采用中英双语著录，应著录最必要、最新的文献，且应是国内外公开发表的书刊文章，编号以出现的先后为序，各类文献的著录格式为：

(1)专著：著者.书名[M].版本(第1版不用著录).出版地：出版者，出版年.

(2)期刊：作者．题名[J]．刊名，年，卷(期)：起止页码.

(3)论文集：作者.题名[C]//编者.文集名.出版地：出版者，出版年：起止页码.

(4)学位论文：作者.题名[D].保存者，年份.

(5)会议论文：作者.题名[C].会议名称，会址，会议年份.

(6)技术标准：责任者.标准代号 标准名称[S].出版地：出版者，出版年：引文页码.

(7)专利文献：专利申请者.专利题名：专利国别，专利号[P].公开日期.

(8)报纸：作者.题名[N].报纸名，年-月-日(版次).

(9)外文文献请注意作者的名字均为姓在前名在后，名要缩写。

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

8.来稿须经过保密审查，勿投寄涉密稿件。稿件请注明作者真实姓名(发表时可按作者意愿署名)、工作单位、详细通讯地址、邮政编码、电话、作者简介及第一作者照片，文稿一经刊载即酌致稿酬，并赠送期刊2份。未被录用的稿件恕不退稿。

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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

陈放(1982-)，男，武汉人，工程师，主要研究方向为测发控系统综合设计；田建宇(1977-)，男，北京人，高级工程师，主要研究方向为测发控系统综合设计；孙兆牛(1978-)，男，安徽安庆人，高级工程师，主要研究方向为控制系统可靠性设计；王雨萌(1985-)，女，陕西宝鸡人，工程师，主要研究方向为测发控系统综合设计。