- 印制板信號分析
- 信號完整性（SI）分析
- 電源完整性（PI）分析
- 電磁輻射（EMI）分析
印制電路板（PCB：PrintedCircuitBoard）目前已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片的頻率越來越高，PCB，特別是高速PCB面臨著各種電磁兼容問題。傳統(tǒng)的基于路的分析方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確地描述PCB上各走線的傳輸特性，因此需要采用基于電磁場的分析方法充分考慮PCB上各分布式參數(shù)來分析PCB的電磁兼容問題。
CST是目前全球最大的純電磁場仿真軟件公司。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于通信、國防、自動(dòng)化、電子和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。2007年CST收購并絕對控股了德國Simlab公司，將其下整個(gè)團(tuán)隊(duì)和軟件全面納入CST的管理和軟件開發(fā)計(jì)劃之中，同時(shí)在原有PCBMod軟件基礎(chǔ)上開發(fā)全新算法和功能，并更名為CST印制板工作室（CSTPCBSTUDIOTM）。通過把EMC仿真工作集成到整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)流程中去，可以幫助設(shè)計(jì)者大幅降低所設(shè)計(jì)產(chǎn)品通不過EMC測試的風(fēng)險(xiǎn)。這樣既可以幫助設(shè)計(jì)者提升對電磁現(xiàn)象的理解同時(shí)還可以幫助設(shè)計(jì)者有效的判斷哪種電磁設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品的性能水平。
CST印制板工作室相比業(yè)內(nèi)其他軟件最大的優(yōu)勢就是，它不只能解決印制板自身的電磁兼容問題，如過孔導(dǎo)線器件之間EMC，基于CST設(shè)計(jì)環(huán)境（CSTDESIGNENVIRONMENT）其他工作室的協(xié)同仿真，CST印制板工作室還能解決印制板對外的電磁輻射和加載外部器件情況下的電磁兼容問題，如與CST微波工作室（CSTMICROWAVESTUDIO?）協(xié)同仿真印制板加載在機(jī)箱中對周圍器件和外部的電磁輻射，加載外部設(shè)備和上層建筑后的電磁兼容問題等等，工作室之間完全無縫連接，統(tǒng)一在CST設(shè)計(jì)環(huán)境下協(xié)同仿真，實(shí)現(xiàn)了印制板內(nèi)外系統(tǒng)的電磁仿真。
目前PCB的電磁兼容性問題大致可以分為三類：信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁輻射（EMI）。
印制板信號完整性SI
對于印制板整板或某些網(wǎng)絡(luò)走線間的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)是描述印制板上信號線信號完整性以及信號線間串?dāng)_度的定量表征。CST印制板工作室采用2D邊界元法（BEM）和2.5D部分元等效電路（PEEC）提取PCBLayout的分布式參數(shù)，并采用基于SPICE模型的仿真器對印制板進(jìn)行信號完整性仿真。圖1所示的是一印制電路板上的兩條走線。這兩條走線物理上沒有相連，當(dāng)走線上傳輸信號頻率比較低時(shí)，可以用基爾霍夫定律進(jìn)行分析，即這兩條走線是互不相關(guān)的。但是左邊走線的2號端口與右邊走線的3號端口間距比較近，當(dāng)這兩條走線上的信號頻率不斷上升時(shí)，它們之間分布式電容會(huì)導(dǎo)致原本不相連走線上的高頻信號串?dāng)_到另一條走線上。
圖1PCB模型
CST印制板工作室采用的部分元等效電路是基于積分形式的Maxwell方程，對PCB結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化成很小的電氣單元，用等效電路分別計(jì)算各單元間的耦合關(guān)系，從而生成等效電路矩陣，使電磁場的求解轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的等值電路方程的求解，是一種有效的電路參數(shù)建模和參數(shù)提取方法。如圖2所示的PEEC網(wǎng)格中，紅色部分表示電阻和自感，藍(lán)色部分表示的電容和互感。
圖2PCB網(wǎng)格
提取完模型參數(shù)后即可利用CST印制板工作室的S參量仿真器進(jìn)行廣義S參量的仿真。如圖3所示：
圖3S參量結(jié)果
采用CST印制板工作室的時(shí)域瞬態(tài)仿真器，并結(jié)合軟件自帶的眼圖輸入信號，即可進(jìn)行眼圖的仿真。仿真得到走線另一端的接收信號以及鄰近走線上的串?dāng)_信號。如圖4所示：
圖4眼圖輸入、輸出及串?dāng)_信號
除了CST印制板工作室，CST微波工作室也可以進(jìn)行印制板的信號完整性分析。CST微波工作室是通用的高頻無源仿真軟件，集時(shí)域和頻域算法為一體包含七種全波算法：時(shí)域有限積分、頻域有限積分、頻域有限元、模式降階法、矩量法、多層快速多極子和本征模法。圖5給出了CST仿真IBM復(fù)雜PCB并進(jìn)行信號完整性分析的考題，仿真得到的電壓延時(shí)與實(shí)測只差0.002ns。[page]
圖5IBM考題實(shí)物模型
圖6仿真結(jié)果
印制板的電源完整性PI
實(shí)際情況下電源回路的阻抗不是恒定的，而是頻率的某一函數(shù)。CST印制板工作室可以仿真由于印制板間各分布式參數(shù)導(dǎo)致的電源回路阻抗在各頻帶上特性，并可以幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)高阻頻段，通過改變布線或添加旁路電容等方法改善印制板的電源完整性。
在實(shí)際的工程應(yīng)用中，為了保證電源完整性，通常對電源回路的阻抗特性有一定要求。如圖7所示為一印制板的數(shù)字電源部分。對于該印制板，工程上對輸入阻抗的要求如圖8所示。
圖7PCB電源層
圖8輸入阻抗特性要求
用CST印制板工作室對該P(yáng)CB生成網(wǎng)格后，建立如圖9所示的電路以仿真裸板情況下的輸入阻抗特性。該電路中在原本加電容的位置用100MΩ代替以模擬開路情況下的阻抗。
圖9裸板時(shí)的仿真電路
圖10裸板時(shí)的輸入阻抗特性曲線
顯然圖10顯示的裸板情況下的輸入阻抗的特性曲線在低頻時(shí)不滿足輸入阻抗的特性要求，在高頻時(shí)也有部分頻段超標(biāo)。要改善輸入阻抗的話可以考慮添加旁路電容，在仿真電路的電容位置加上容值為10nF的電容，同時(shí)為了更加準(zhǔn)確地模型實(shí)際的電容的特性，需要考慮電容自身的寄生電感和電阻。這里，將電容的寄生電感值設(shè)為1nH，電阻值設(shè)為0.01Ω。其仿真電路如圖11所示。
圖11仿真電路
圖12輸入阻抗特性曲線[page]
從圖12所示的輸入阻抗特性曲線可以看出：在加入旁路電容之后，在低頻段，電源的輸入阻抗特性已經(jīng)有了很大的改善，但是在高頻時(shí)仍有一些頻段超標(biāo)。從阻抗特性上可以看到在高頻段，阻抗已經(jīng)呈現(xiàn)電感的特性，因此高頻段的超標(biāo)極有可能是由于電容的寄生電感的造成的。為此可以考慮選用質(zhì)量更好的電容。這里，選用的電容的寄生電感為25pH，仿真電路如圖13所示。
圖13仿真電路
圖14輸入阻抗特性曲線
從圖14所示的輸入阻抗特性曲線中可以看到：選用寄生電感比較小的電容可以有效地抑制輸入阻抗的高頻段特性。從而保證在所要求的頻段上輸入阻抗均滿足要求。
隨著當(dāng)今集成電路對供電穩(wěn)定性的要求，印制板設(shè)計(jì)工程師需要關(guān)注于低電壓、低翻轉(zhuǎn)門限與大電流、多層長線供電所造成的壓降。利用CST電磁工作室的穩(wěn)恒電流求解器可以仿真整個(gè)PCB的電壓分布，如圖15所示：
圖15IR-Drop分析
印制板電磁輻射EMI
對于電子產(chǎn)品的電磁輻射，國際電工委（IEC：InternationalElectrotechnicalCommission）制定了強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。通常，印制板都只是系統(tǒng)中的一部分，在進(jìn)行電磁輻射分析的時(shí)候除了要考慮印制板本身的輻射問題外，還需要考慮系統(tǒng)中其它設(shè)備對對電磁輻射的影響，尤其是帶有通風(fēng)孔機(jī)箱的屏蔽效能。CST印制板工作室在進(jìn)行SI仿真的同時(shí)，可以得到印制板上電流分布的幅度和相位信息，并通過與CST微波工作室的協(xié)同將該電流分布作為激勵(lì)源，然后再加上機(jī)箱，充分考慮孔、縫對電磁輻射的影響。仿真的結(jié)果自動(dòng)與內(nèi)嵌的EMC國際標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對比，如圖16所示。
圖16電磁輻射的協(xié)同仿真
因此利用CST仿真軟件，根據(jù)不同的電磁兼容問題，選擇合適的工作室和求解算法，可以有效地對印制電路板的電磁兼容問題進(jìn)行分析。同時(shí)利用軟件強(qiáng)大的圖像顯示功能，直觀地反映電磁場的空間分布，從而幫助印制板工程師準(zhǔn)確定位可能存在電磁兼容問題的區(qū)域，在產(chǎn)品的研發(fā)階段及早發(fā)現(xiàn)并解決電磁兼容問題。
