采用EMC专家系统和三维仿真工具建立和验证EMC设计规则

使用EMC专家分析工具,设计小组可以审查和验证用于检测PCB的EMC问题的设计规则,并在电路板尚未开始生产之前运用这些设计规则来发现潜在的设计问题。通过预防EMC故障,能够缩短产品上市时间。本文将概要论述EMC专家系统和三维分析工具在设计规则建立及验证中的作用。

Donzi Liu

物理学博士

Sun Microsystems公司

Guy de Burgh

信号完整性设计部经理

Innoveda公司

现代电子系统的速度越来越快,设计的复杂程度也越来越高,设计工程师将面临两方面的EMC问题:一方面,共模电磁噪声随时钟频率的提高而增大,差模电磁噪声随时钟频率平方的增加而增大,电子系统的工作速度越高,EMC的分析就越重要；另一方面,不断提升的系统复杂度使得设计工程师无法及时运用复杂的三维仿真工具来模拟系统的EMI。除系统的复杂度以外,新技术的引入如先进的器件封装技术以及越来越低的逻辑电压摆幅也迫切需要实施EMI分析。

面对这种情况,越来越多的设计工程师小组转而求助于EMC专家系统。这些专家系统工具的工作方式类似于真正的EMC专家解决实际的EMC问题,内置的设计规则检查器(DRC)帮助设计工程师迅速鉴别PCB和MCM中最主要的EMC问题,甚至还提供解决这些EMC问题的建议和可行的解决方案。

虽然EMC专家系统工具提供了很好的EMC解决方案,然而如果设计规则本身不准确,那么设计规则检查也就失去了意义。为了保证EMC专家系统的质量,用户必须确保所有的规则是经过验证和确认的正确的设计规则。设计工程师小组可以加入行业协会(例如密苏里大学EMC协会)来验证和确认现有的设计规则,也可以建立新的设计规则。当然设计小组内部也可以聘请EMC专家来实施设计系统的详细的(通常都是三维)建模和仿真。

建模和仿真需要耗费大量的时间,然而这一过程通常都可以独立于设计周期而实现,这主要是因为该过程的目标是要为未来的设计构造一整套设计规则检查(DRC)库。开发一整套高质量的EMC设计规则并且验证其准确性,这对一个企业的成功起着至关重要的作用。好的设计规则可以缩短公司产品的上市时间,更可以帮助企业超越竞争对手。

内嵌在工具中的EMC专家分析

EMC专家工具最主要的作用在于它可以迅速并且准确地评估电路板设计中的EMC问题。这样的工具通常将电路板的布局布线文件作为输入,将不同的PCB结构在三维空间进行映射,据此来判定这些PCB结构是否违反了一系列的物理设计规则。通过评估,EMC专家工具以列表的方式加亮显示有问题的电路板布线和元器件,并且可以同时查看电路板设计的问题所在。

除了给出问题列表以外,用户也能够获得解决这些问题的专家建议。这些专家的建议可以内置到工具中基于标准设计实践的基本EMC参考信息中。公司的EMC专家同样也可以建立一个与定制设计规则一致的推荐数据库。

如上所述,设计规则和专家的建议也可以来自一个专业开发和收集EMC数据的行业协会。位于罗拉市的密苏里大学EMC协会就是这样一个组织,其前身是EMI专家系统联盟。该团体是大学和工业界EMI/EMC方法学和技术评估组织,其研究已为多个专家系统工具中采用的算法分析和EMC规则提供了基础。

除了提供快速而准确的分析之外,EMC专家工具一个关键的特征就是新的设计规则的嵌入十分简便。采用电子数据表格的模型输入系统使得从标准的数据手册资料中输入新的模型变得非常容易。这样的EMC专家系统工具同样也提供应用程序接口(API)来帮助输入新的设计规则。API允许用户描述详细的设计规则,而由EMC专家系统工具来处理设计规则与电路板布局布线之间映射的细节。

建立EMC设计规则

创建或者验证EMC设计规则通常采用有限差分时域(FDTD)办法。FDTD方法在一个三维的网格上求解麦克斯韦方程,并且在一个立方体上绘出电场图,而在立方体中心的一个球体上绘出磁场图。FDTD方法的计算处理过程不断更新电场和磁场数据,相对于前面的数值而言这些场的数据随时间跳跃变化。基于FDTD方法的三维仿真工具允许EMC工程师将对应EMC设计规则的电场和磁场建模。

作为建模的一个例子,要考虑这样三个设计规则:20H规则(是指大小不一致的电源/接地平面)、电源平面连通规则和布线跨越缝隙规则。为了验证这些设计规则,可以使用EMC专家工具套件计算违反或符合该设计规则的PCB结构所对应的电磁场。工具套件中的三维仿真工具使用FDTD方法来计算电磁场,在三维图形上以不同的颜色来表示场强的变化。

图1a和图1b所示为对应于20H设计规则的问题及其解决方法。图1a中电源平面和接地平面的尺寸基本一致,这是设计中最常见的情况,然而这种情况会导致在平面层的边缘部位出现边缘效应。20H设计规则规定电源平面应小于接地平面来消除边缘效应。

图1b则表明运用20H设计规则之后确实消除了边缘效应。为了开发这样的设计规则,用户只需尝试不同的电源平面与接地平面尺寸及相互之间的间隔,对这些不同的情况分别进行仿真,然后再对不同情况下的仿真结果进行比较。在EMC专家工具环境下,工具将自动地检查电源平面与接地平面之间的距离,并且同这些平面层的尺寸进行比较。

第二条设计规则是指将不同的电源平面连接起来以实现电磁场的屏蔽。电源平面上存在一个电源环时,要采用过孔将这个电源环吸附到电源平面上。这些过孔形成了一种屏蔽盒,因而可以屏蔽绝大部分的电磁场。要将这一结论应用到一个或更多特殊的EMC设计规则中,用户可以使用三维场提取工具来探索不同的过孔连接,确保电磁场的有效抑制。

最后一条设计规则是如何处理PCB布线跨越分割两个地平面之间缝隙的情况。在PCB板上可能为设计的模拟和数字部分使用不同的地平面,也有可能为不同的电源电压设置不同的地区域。如果一个PCB布线跨越这些地平面之间的缝隙,就会有返回电流在缝隙周围流过,因而会导致电磁干扰问题。

图2a显示了一个带一根PCB线的接地平面形成的“理想的地”。白点表示大部分回流电流都集中在中心附近,而且正好在PCB布线的下面。但是在图2b中,当增加另一个接地平面,使得PCB布线跨越两个接地平面之间的缝隙时,电流将流过缝隙的边缘。在PCB布线的下面连接这两个接地平面(因为它们都处于同一电位)就可以解决这一问题。这样,电流就从布线中心的正下方返回,如图2c所示。

考虑到接地平面可能是不规则的,并且必须将多层PCB板的接地平面分别进行比较,不借助DRC这样的功能要找出穿越缝隙的走线可能会很困难。然而,EMC专家工具却可以很容易地检测出这样的问题,而且这种设计规则的描述和形成也很简单。DRC可以自动地检测出任意一根PCB布线是在地平面之上还是在地平面之下,因此主要的任务就是指明可能在特定信号频率上导致问题的设计尺寸。

本文总结

优秀的EMC规划包括两个互相交叠的阶段。在开发和确认阶段,EMC专家建立并且测试一套设计规则如PCB设计规则、元器件的选择规则以及时钟速度规则等,这些设计规则将支持整个PCB设计。

使用EMC专家分析工具,设计小组可以审查和验证用于PCB和MCM上检测EMC问题的设计规则。在设计周期之外来完成这些耗时的设计规则验证工作可以帮助厂商开发精确而完善的设计规则集,而EMC专家工具可以迅速地在设计周期之内、电路板尚未开始生产之前运用这些设计规则来发现潜在的问题。使用一套正确而完善的EMC设计规则集,这种方法可以取得很好的效果,而且通过预防EMC故障,极大地缩短了产品的上市时间。

本文作者Donzi Liu在马里兰大学获得物理学博士学位,曾分别在Innoveda公司、加州圣迭戈大学和芝加哥大学担任软件工程研发和研究工作,目前供职于Sun Microsystems公司的技术部门。

本文作者Guy de Burgh是Innoveda公司的信号完整性部门经理,过去的十三年里他一直致力于开发信号完整性分析和时序分析方面的技术和工具。Guy de Burgh还是Quad Design Technology公司的发起人之一,他毕业于牛津大学,获得工程科学硕士学位。