【導讀】隨著(zhù)電子系統的復雜度越來(lái)越高，EMI問(wèn)題也越來(lái)越多。為了使自己的產(chǎn)品能達到相關(guān)國際標準，設計人員不得不往返于辦公室和EMC實(shí)驗室，反復地測試、修改設計、再測試，如何在產(chǎn)品設計的階段就及時(shí)發(fā)現EMI問(wèn)題變得重要。PCB布局、布線(xiàn)以及電源層的處理對整個(gè)電路板的EMI問(wèn)題有著(zhù)非常重要的影響。本文將通過(guò)實(shí)例分析討論如何利用EMIStream來(lái)解決板級EMI問(wèn)題。
電磁干擾（EMI）分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾主要是電子設備產(chǎn)生的干擾信號，通過(guò)導電介質(zhì)或公共電源線(xiàn)互相干擾。輻射干擾是指電子設備產(chǎn)生的干擾信號，通過(guò)空間耦合傳給另一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò )或電子設備，
在PCB電路板中，電磁能的存在有兩種形式，即差模EMI和共模EMI。當器件輸出的電流流入一個(gè)負載時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生差模EMI。當電流流經(jīng)多個(gè)導電平面，如PCB上的導線(xiàn)組或電纜，就會(huì )產(chǎn)生共模EMI。圖1給出了差模EMI和共模EMI的示意圖。
其中，I表示電流強度，f表示共模電流的頻率，L表示電纜線(xiàn)長(cháng)度，d表示測量天線(xiàn)到電纜的距離。
解決EMI的主要方法是減少電路板上由各種原因產(chǎn)生的輻射能量，而控制EMI的關(guān)鍵，是降低電源地平面諧振和電路回流的路徑阻抗，并正確放置旁路和去耦電容。
本文使用EMIStream工具對板極EMI問(wèn)題進(jìn)行分析。EMIStream工具的兩大主要功能是支持PCB板全部網(wǎng)絡(luò )的EMI分析以及電源諧振分析。EMIStream是由日本NEC公司基于多年EMI設計經(jīng)驗開(kāi)發(fā)的應用軟件，可以用于Cadence、Mentor Graphics、Zuken和Altium等公司的設計工具中的各種PCB設計流程，在PCB制造之前解決EMI問(wèn)題。EMIStream軟件內建13條經(jīng)典EMI檢查規則，均經(jīng)過(guò)日本NEC內部產(chǎn)品實(shí)際設計結果驗證，每個(gè)檢查規則的設置值是經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證的最佳理論值。
1．EMIStream分析流程
圖2是使用EMIStream對電路板進(jìn)行分析的設計流程。EMIStream嵌入在PCB設計的全過(guò)程，在設計階段解決EMI問(wèn)題有利于減少反復設計的次數。
2．布局的EMI檢查
A）當完成布局后，把Allegro數據直接導入EMIStream工具。 EMIStream和Mentor、Zuken、Altium等其他公司的主流PCB設計工具也都有接口，保證數據的完全導入。
B）設定層疊信息，根據PCB板的層疊信息，填寫(xiě)入EMI。
C）根據電路的設計數據，正確填寫(xiě)電路中相關(guān)NET的頻率、串擾組、差分對、電源地信號的設置。
D）設置規則的參數，我們選擇采用默認參數，同時(shí)選擇長(cháng)度檢查和最大輻射值檢查項目對該板實(shí)施檢查。
檢查結果以對話(huà)框的形式顯示出來(lái)，用戶(hù)點(diǎn)擊錯誤提示，查看有問(wèn)題的NET，然后采用下面兩個(gè)方法來(lái)消除EMI問(wèn)題：（1）調整零件的布局位置，減少NET總的長(cháng)度；（2）調整網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，減少共模輻射的強度。
3：布局布線(xiàn)中和完成以后的EMI檢查：
A：當布局布線(xiàn)完成后，實(shí)施整板網(wǎng)絡(luò )檢查，通過(guò)NET Parameter選擇需要檢測的所有關(guān)鍵信號，比如時(shí)鐘、數據、地址線(xiàn)、差分對等，同時(shí)可以任意選擇13條規則作為EMI檢查的基準。
B：13規則包括傳導輻射分析用的2個(gè)規則、電流回路分析用的3個(gè)規則、電源和地層分析的2個(gè)規則、信號完整性分析的4個(gè)規則、元件布局分析的2個(gè)規則。
C：檢查結果以對話(huà)框的方式顯示出來(lái)，按照網(wǎng)絡(luò )的EMI問(wèn)題的嚴重程度從上到下逐一列出。打開(kāi)每一條出錯網(wǎng)絡(luò )，將列出全部EMI出錯信息（錯誤列表），有的出錯信息還會(huì )顯示修改提示，最后列出該網(wǎng)絡(luò )的最大輻射值以及差模輻射共模輻射值；同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò )在PCB版圖上將高亮度顯示，所有錯誤用紅圈在網(wǎng)絡(luò )上標出（圖3）。
圖3：檢查結果以對話(huà)框的方式顯示出來(lái)，出錯網(wǎng)絡(luò )在PCB版圖上將高亮度顯示，所有錯誤用紅圈在網(wǎng)絡(luò )上標出。
例如，第一個(gè)錯誤提示該網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有完整的電流回路，點(diǎn)擊該錯誤，畫(huà)面放大顯示并用紅圈標示錯誤的位置。同時(shí)，還會(huì )彈出對話(huà)框，顯示錯誤的原因，并給出幾個(gè)修改建議。這些建議包括：（1）修改導線(xiàn)的路徑避免跨不同NET的銅箔，導致參考平面不完整，阻抗失配。（2）修改銅箔的外形，使導線(xiàn)擁有完整的參考平面。第二個(gè)錯誤是該網(wǎng)絡(luò )的最大輻射dB值，分為差模和共模輻射值。
D：然后，顯示發(fā)現的銅箔錯誤，比如GND銅箔邊緣缺少過(guò)孔、過(guò)孔間距過(guò)大等。
E：串擾檢查幫助檢查同一層并行走的部分或相鄰層交叉的布線(xiàn)是否有串擾。建議修改并行太長(cháng)的走線(xiàn)。
4．電源地平面諧振分析
在完成了對網(wǎng)絡(luò )的檢查并做了相應的修改，接下來(lái)針對電源地平面進(jìn)行諧振分析。EMIStream通過(guò)模擬板的形狀和電源、地平面之間形成的電容進(jìn)行建模，并運用SPICE電路仿真進(jìn)行解析。用紅色表示大的電壓波動(dòng)，藍色表示小的電壓波動(dòng)。
首先對3V3的電源層面進(jìn)行分析，鼠標點(diǎn)擊選擇3V3電源平面，填寫(xiě)和3V3電源平面最近的GND平面的間距，介質(zhì)常數信息。修改Option選項中的計算網(wǎng)格大小為3毫米，設置掃描頻率從30MHz到2GHz，步長(cháng)為10MHz。點(diǎn)擊RUN開(kāi)始分析，結果如圖4所示。
諧振分析結果有兩種圖形顯示：一種是PCB版圖上的波動(dòng)電壓分布圖，紅色的區域為電壓波動(dòng)相對較大的地方，藍色為電壓波動(dòng)相對較小的地方；另一種是在設定的頻率范圍內的全部諧振頻率點(diǎn)，其峰值波動(dòng)電壓是否超標可以從選定的電磁標準曲線(xiàn)上看出。 從圖5左圖中可看出，電源/地平面在1.5GHz附近有很多諧振點(diǎn)。
對于電源/地平面諧振問(wèn)題，可以通過(guò)在電壓波動(dòng)相對較大的地方增加退耦電容來(lái)減少諧振。EMIStream系統自帶了常用電容的RLC模型，如果需要特別的RLC電容模型，用戶(hù)可以自由添加。我們在幾個(gè)紅色地方添加C104的電容。需要注意一點(diǎn)的是，采用電容串聯(lián)電阻的效果可能更好一些。再使用相同的設置，重新進(jìn)行分析，結果見(jiàn)圖5右圖。此時(shí)的分析結果得到明顯改善，剛才紅色的區域都變成藍綠色，從2G以下的最大諧振值都降到-5dB以下，滿(mǎn)足了系統的設計要求。
本文小結
PCB設計的EMI問(wèn)題是一個(gè)非常復雜的問(wèn)題，需要用各種方法來(lái)綜合處理，通過(guò)該案例分析，可以發(fā)現：（1）聯(lián)合使用EMIStream工具和PCB設計工具，可以大大提高設計效率；（2）可在PCB設計階段發(fā)現并解決EMI問(wèn)題，減少反復修改的次數，節約成本；（3）與通常的SI分析工具相比，不需要IBIS模型，不是對一個(gè)網(wǎng)絡(luò )而是對全部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行分析，很快（一分鐘）可出結果；（4）可以立竿見(jiàn)影的幫助PCB工程師，幫助改進(jìn)布局布線(xiàn)策略，減小電路板的EMI干擾的發(fā)射；（5）有效地提高設計質(zhì)量，縮短設計周期，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
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